Subtilitet og den selektive kunst at adskille lanthanider

Lanthanid-elementer er væsentlige dele af nutidens højteknologiske råvarer, herunder fladskærms-tv, mobiltelefoner, elbiler, og satellitter. Mens efterspørgslen efter disse elementer er høj, at adskille lanthanider fra urenheder (andre lanthanider) er ekstremt vanskelig. Industrien bruger væske-væske udvinding. Målet i vand glider ind i en oliefase ved hjælp af et ekstraktionsmolekyle. Urenheder forbliver i vandet. I årtier, forskere har designet nye ekstraktanter. Imidlertid, de har stort set overset de subtile virkninger af de tynde lag vand, der følger med på turen, viklet rundt om målet. Ny forskning afslører ejendommelige arrays af vandmolekyler, der påvirker, hvordan ekstraktionsmidlet virker.

Resultaterne understreger fordelen ved at kontrollere subtile ydre kugleinteraktioner. Væske-væske-ekstraktion af lanthanider er en veludviklet teknologi. Hvorfor visse ekstraktanter er ekstremt selektive og andre ikke er ikke godt forstået. Også, hvordan man designer forbedret selektivitet er ikke velkendt. At vide, hvordan vand, der udvindes med målelementet, påvirker separationen, er et vigtigt skridt i retning af at designe bedre udvindingssystemer. Disse systemer kan få de nødvendige lanthanider til højteknologiske enheder.

Grundlæggende forståelse af selektiv genkendelse og adskillelse af lanthanidioner ved hjælp af chelateringsmidler er af afgørende betydning for at fremme bæredygtige energisystemer. Lanthanider er vanskelige at adskille fra hinanden på grund af ligheder i deres fysiske og kemiske egenskaber. De fleste separationsprocesser drager fordel af et lille fald i ionisk radius, der forekommer på tværs af lanthanid-serien. Disse separationsprocesser bruger to væsker. Væskerne er som olie og vand. De kan blandes sammen, men adskilles altid tilbage i forskellige lag. Under blandingen ekstraktionsvæsken trækker mållanthanidkomplekset ud, omgivet af lag af vandmolekyler. Ekstraktionsvæsken indeholder arme, kaldet ligander, der tager fat i lanthaniden. For en ideel ligand, faldet i ionradius ville resultere i støt stigende ekstraktion på tværs af serien. Det er, liganderne ville fange mere lutetium (lanthanidet med den mindste radius) end lanthan (med den største radius). Imidlertid, med diglycolamidliganden, lanthanidekstraktion øges hen over de lette til mellemste lanthanider, men selektiviteten forbliver næsten konstant over de mindre, tunge lanthanider. Samarbejdet mellem Colorado School of Mines og Oak Ridge National Laboratory belyste oprindelsen af ​​lanthanid-selektivitet gennem komplementære undersøgelser, der integrerede distributionsstudier, kvantemekaniske beregninger, og klassiske molekylær dynamik simuleringer.

Resultaterne viser en sammenhæng mellem co-ekstraheret vand og lanthanid-ekstraktion af diglycolamid-liganden på tværs af serien. Fundet peger på vigtigheden af ​​hydrogenbindingsinteraktionerne mellem nitrationer i den ydre sfære på liganden og lanthanidkomplekset og vandklynger i et ikke-polært miljø. Baseret på de eksperimentelle og tæthedsfunktionelle teoristudier, mekanismen bag vandoptagelsen er relateret til overfladearealet af de nitratmodioner, der er tilgængelige for at interagere med coekstraheret vand. Molekylær dynamik-simuleringer belyser yderligere, at nitrationer i den ydre sfære på liganderne danner hydrogenbindinger med vandmolekyler.

I et bredere perspektiv, disse resultater har betydelige implikationer for design af nye separationssystemer og processer for trivalente lanthanidioner, understreger vigtigheden af ​​at indstille både indre og ydre sfære interaktioner for at opnå total kontrol over selektivitet i væske-væske ekstraktion af lanthanider.