Ultrahurtige lasere sonderer undvigende kemi ved væske-væske-grænsefladen

Realtidsmålinger fanget af forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory giver manglende indsigt i kemiske separationer for at genvinde kobolt, et kritisk råmateriale, der bruges til at fremstille batterier og magneter til moderne teknologier.

Resultater offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader, spore dynamikken i molekyler designet til at få fat i kobolt fra opløsninger, der indeholder en blanding af lignende arter.

"Forståelse af de molekylære begivenheder, der gør det muligt at adskille elementer, er nøglen til at optimere eller skabe nye, skræddersyede tilgange til brede områder af materialegenvinding, " sagde Ben Doughty fra ORNL's Chemical Sciences Division.

Studiet undersøger den grundlæggende kemi, der ligger til grund for opløsningsmiddelekstraktion, en metode til adskillelse af elementer ved hjælp af to væsker, der ikke opløses i hinanden, nemlig olie og vand.

Når ophidset, olie-og-vand-opløsninger vil selv-separere i forskellige lag. Fænomenet kan bruges til at overføre målrettede materialer opløst i en væskefase til en anden, tillader specifikke elementer som kobolt at blive adskilt fra alt andet i blandingen.

"Fangsten er, at du skal have molekyler i grænsefladen mellem disse væskelag, som er klar til at binde selektivt til de materialer, du vil udvinde, " sagde Doughty. "Men den komplekse kemi, der sker ved overfladen, er ikke blevet godt forstået."

Indsigt i de kemiske reaktioner, der muliggør kobolt og andre adskillelser, har undgået forskere i årtier, på grund af udfordringerne med at sondere væske-væske grænsefladen, hvor olie og vand mødes. Den molekylært tynde overflade er beslægtet med en nål i en høstak, tendens til at blive sløret af bulk-opløsningen, når traditionelle spektroskopiske metoder anvendes. For at øge vanskeligheden er konkurrerende tidsskalaer for aktivitet, spænder fra femtosekunder - en kvadrilliontedel af et sekund - til minutter, at konventionelle statiske målinger ikke fanger.

"Denne grænseflade er hovedsageligt gatekeeperen mellem olie- og vandlag, hvor kemiske bindinger, der letter ekstraktioner, laves eller brydes. For at finjustere separationsprocessen, du skal forstå, hvad der sker ved denne grænseflade i realtid, " sagde Doughty.

ORNL er en af ​​få grupper, der har specialiseret sig i teknikker til at sondere en fungerende væske-væske grænseflade.

Ud fra tidligere arbejde med polymerer, holdet så på liganden di-(2-ethylhexyl) phosphorsyre, eller DEHPA, et industristandard ekstraktionsmiddel, der selektivt binder med koboltioner over lignende metaller såsom nikkel, der ofte naturligt følger med kobolt i opløsning.

DEHPA opløst i olie blev introduceret til vandbaserede opløsninger med og uden kobolt og sonderet ved hjælp af vibrationssum frekvensgenerering, en ultrahurtig pulserende laserteknik, der gjorde det muligt for forskere at indse reaktioner, der fandt sted ved væske-væske-grænsefladen.

Det, der adskiller denne teknik fra andre eksperimentelle metoder, er evnen til at spore kinetik ved grænsefladen, eller de ændringer, der finder sted ved overfladen under en kemisk reaktion.

"Opløsningsmiddelekstraktion er designet til at arbejde inden for specifikke forhold for et givet mål, og pH er en almindeligt justeret variabel. Så, vores eksperiment blev sat op til at observere indflydelsen af ​​pH-områder på DEHPA og forstå, hvad der giver anledning til det søde punkt for koboltekstraktion, " sagde Doughty.

Den oliebaserede ligand interagerer med vand for at danne aggregater, eller grupper af molekyler, der spiller en vigtig rolle i ekstraktioner. Deres opgave er at binde og transportere kobolt, men de skal have den rigtige størrelse og struktur for at fungere effektivt. Holdet opdagede, at brintbindinger påvirker arrangementet af disse aggregater og er følsomme over for pH-ændringer.

"Vores resultater fremhæver den væsentlige rolle, hydrogenbinding spiller i udviklingen af ​​nye ekstraktionsmetoder, sagde Doughty. Desuden, vi observerede, at pH-værdien af ​​bulk-opløsningen påvirker hydrogenbinding og potentielt kunne justeres for at justere væske-væske-grænsefladen til topydelse."

Forståelse af designreglerne for udvinding åbner muligheder for at reducere energi- og miljøomkostningerne ved forarbejdning af kobolt og, på tur, sikring af etisk fremskaffede forsyningskæder.

Koboltgenvinding er blot et eksempel på, hvordan grundlæggende indsigt i kemiske separationer kan være gavnlig. Informerede strategier kan anvendes på brede områder inden for genvinding af kritiske materialer og oprydning af atomaffald, hvor metoder til udvinding af opløsningsmidler er meget anvendt.

Tidsskriftsartiklen er publiceret som "Hydrogen-Bond-Driven Chemical Separations:Elucidating the Interface Steps of Self-Assembly in Solvent Extraction."