Инженерный пористый материал извлекает ценные редкоземельные элементы из промышленных сточных вод Редкоземельные элементы, которые обеспечивают питание электромобилей, ветряных турбин, аппаратов медицинской визуализации и других передовых технологий, могут скрываться в неожиданном месте — промышленных сточных водах.

Исследователи Университета Райса разработали ультрапористый материал, способный извлекать несколько ценных редкоземельных элементов из сложных потоков отходов — потенциальный шаг к извлечению критически важных минералов, которые иначе могли бы быть выброшены. Исследование было опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Подход использует металлоорганические каркасы, или MOF — материалы, лауреаты Нобелевской премии, построенные из металлов и органических молекул в чрезвычайно пористые структуры — и модифицирует их внутренние поверхности так, чтобы они предпочтительно захватывали редкоземельные элементы. Исследователи испытали материал на неодиме, гадолинии и диспрозие — трёх редкоземельных элементах, важных для магнитов и других технологий.

«Редкоземельные элементы необходимы для многих технологий, на которые мы опираемся, но их цепочки поставок остаются географически сконцентрированными», — сказал Цилинь Ли, профессор гражданского и экологического строительства имени Карла Ф. Хассельмана в Университете Райса и соответствующий автор исследования.

«Вместо того чтобы рассматривать промышленные сточные воды только как нечто, что необходимо обрабатывать, мы можем начать рассматривать их как ресурс, содержащий ценные материалы, которые стоит извлекать.»

Захват дефицитных металлов в пористых материалах
Редкоземельные элементы обладают необычными магнитными и электронными свойствами, что затрудняет их замену в приложениях от постоянных магнитов до аэрокосмической отрасли и здравоохранения. Неодим и диспрозий, например, используются в мощных постоянных магнитах, используемых в электромобилях, ветряных турбинах и дронах, а гадолиний — в МРТ.

Отделить небольшие количества этих элементов от промышленных сточных сточных вод сложно, особенно потому, что сточные воды часто содержат гораздо более высокие концентрации других металлов.

Чтобы решить эту задачу, исследователи начали эксперименты с водоустойчивым MOF под названием MIL-101. Исследователи модифицировали MIL-101 молекулой под названием фосфонометилиминодиацетическая кислота, или PMIDA. Внутри нанопор MOF PMIDA действует как химический крючок, формируя прочные связи с положительно заряженными ионами редкоземельных элементов.

Затем исследователи варьировали, сколько PMIDA добавляется в MOF, чтобы определить, как плотность этих связывающих участков влияет на работу материала. Они сочетали свои эксперименты с моделированием, что позволило исследователям изучить, как ионы редкоземельных элементов и молекулы PMIDA располагаются внутри пор.

Более плотные участки связывания усиливают захват
Результаты выявили важный принцип проектирования: добавление большего количества PMIDA не просто увеличивало пропорционально большую ёмкость. Вместо этого более высокие концентрации лиганда позволяли нескольким связывающим группам координироваться вокруг отдельных ионов редкоземельных элементов, образуя более прочные и стабильные химические комплексы внутри пор. Дополнительные симуляции подтвердили, что эти комплексы становились более скоординированными по мере увеличения нагрузки на PMIDA.

Йимин Лю, первый автор исследования, проводил работу в качестве постдокторанта Райса и сейчас является ассистентом профессора экологической инженерии в Университете штата Южная Дакота.

«Особенно интересно было то, что мы могли видеть не только только, захватывает ли материал редкоземельные элементы, но и почему», — сказал Лю. «Комбинируя эксперименты с молекулярными симуляциями, мы могли бы заглянуть внутрь пор и увидеть, как изменение количества лигандов меняет способ удержания этих ионов.»

При максимальной нагрузке PMIDA материал захватил до 160 миллиграммов неодима, 175 миллиграммов гадолиния и 195 миллиграммов диспрозия на грамм материала. Эти ёмкости были как минимум вдвое выше, чем значения, ранее сообщанные для того же водоустойчивого MOF при аналогичных условиях для неодима и гадолиния.

Селективность выдерживает избыток железа
Ещё одним обнадёживающим результатом стало введение железа — распространённого загрязнителя, которое может значительно превосходить редкоземельные элементы в промышленных отходах.

Даже когда концентрация железа была в 100 раз превышающей концентрацию редкоземельных элементов, его влияние на адсорбцию редкоземельных элементов было минимальным. В одном из тестов поглощение редкоземельных элементов было всего примерно на 0,3% ниже, чем без железа. Эта селективность важна, потому что полезные технологии восстановления должны уметь находить относительно редкие мишени среди гораздо больших объёмов нежелательных материалов (например, железа).

Исследователи также обнаружили, что большинство захваченных редкоземельных элементов позже можно выделить из MOF с помощью разбавленной соляной кислоты, что позволяет собирать ценные металлы и потенциально использовать материал повторно.

«Предстоит ещё много работы по совершенствованию этой техники, и будущие исследования будут сосредоточены на повышении селективности, чтобы MOF мог выпускать захватываемые элементы, сохраняя при этом прочность, регенерацию и прикрепление лиганда», — сказал Лю. «Тем не менее, мы рады возможности инженерных MOF предложить более устойчивую альтернативу жидко-жидкому растворителю, используемому сейчас для захвата редкоземельных элементов.»

Информация о публикации

Визуальная абстрактность. Автор: ACS Applied Materials and Interfaces (2026). DOI: 10.1021/acsami.6c16452
Йимин Лю и др., Водная адсорбция редкоземельных элементов с помощью металло-органических лиганд-модифицированных металло-органических каркасов: роль нагрузки на лиганд в поверхностном комплексировании, ACS Applied Materials and Interfaces (2026). DOI: 10.1021/acsami.6c16452

Информация о журнале: ACS Applied Materials and Interfaces