盖世汽车讯 稀土元素在驱动电动汽车、风力发电机、医学影像设备及其他先进技术方面发挥着重要作用，而它们可能正隐藏在一个意想不到的地方——工业废水中。

据外媒报道，莱斯大学（Rice University）的研究人员开发出一种超多孔材料，能够从复杂的废物流中提取出多种有价值的稀土元素。这一成果有望助力回收那些本会被丢弃的关键矿物资源。相关研究已发表在期刊《ACS应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上。

图片来源：莱斯大学

该方法利用了金属有机框架（MOFs）——这是一种曾获诺贝尔奖的材料，由金属和有机分子构建而成，具有极高的孔隙率。通过对其内部表面进行改性，研究人员使其能够选择性地捕获稀土元素。研究团队针对钕、钆和镝这三种稀土元素对该材料进行了测试；这些元素对于制造磁体及其他技术应用至关重要。

“稀土元素对于我们所依赖的许多技术至关重要，但其供应链在地理分布上依然高度集中，”莱斯大学土木与环境工程系Karl F. Hasselmann讲席教授、本研究通讯作者Qilin Li表示，“我们不应仅仅将工业废水视为需要处理的废弃物，而应将其视为一种蕴含宝贵物质、值得回收利用的资源。”

稀土元素具有独特的磁学和电子学特性，这使得它们在从永磁体到航空航天、医疗保健等各类应用中都难以被替代。例如，钕和镝被用于制造电动汽车、风力发电机和无人机中所需的高性能永磁体；而钆则被应用于核磁共振成像（MRI）设备中。从工业废水中分离出微量的这些元素十分困难，尤其是因为废水中往往还含有浓度高得多的其他金属。

为了应对这一挑战，研究人员选用了一种名为 MIL-101 的水稳定性金属有机框架（MOF）材料开展实验。他们利用一种名为“膦酰甲基亚氨基二乙酸”（简称 PMIDA）的分子对 MIL-101 进行了改性。在 MOF 的纳米级孔隙内，PMIDA 就像一个“化学挂钩”，能够与带正电的稀土离子形成牢固的化学键。

随后，研究人员通过调整 MOF 中 PMIDA 的添加量，探究了这些结合位点的密度如何影响材料的性能。此外，他们还结合计算机模拟，深入分析了稀土离子和 PMIDA 分子在孔隙内部的排列方式。

研究结果揭示了一项重要的设计原则：增加 PMIDA 的用量，并不仅仅是按比例提升了容量。事实上，配体浓度的提高使得多个结合基团能够围绕单个稀土离子进行配位，从而在孔隙内部形成了更强、更稳定的化学配合物。进一步的模拟研究证实，随着 PMIDA 负载量的增加，这些配合物的配位作用也变得愈发稳固。

“特别有趣的是，我们不仅能观察到该材料是否捕获了稀土元素，还能探明其背后的原因，”该研究的第一作者Yiming Liu说道，“通过将实验与分子模拟相结合，我们得以深入孔隙内部，观察配体数量的变化如何改变了这些离子的固定方式。”

在所测试的最高 PMIDA 负载量下，该材料每克可分别捕获 160 毫克钕、175 毫克钆和 195 毫克镝。对于钕和钆而言，这些吸附容量至少是此前在类似条件下针对同一种耐水MOF材料所报道数值的两倍。

另一个令人振奋的结果出现在研究人员引入铁元素之后——铁是一种常见的污染物，在工业废料中，其含量往往远高于稀土元素。

即便铁的浓度达到稀土元素浓度的 100 倍，它对稀土吸附的影响也微乎其微。在其中一项测试中，稀土的吸附量仅比无铁存在时降低了约 0.3%。这种选择性至关重要，因为有效的回收技术必须能够从大量不需要的物质（如铁）中，精准地提取出相对稀缺的目标元素。

研究人员还发现，利用稀盐酸可以从MOF中释放出先前捕获的稀土元素，从而实现这些宝贵金属的回收，并使该材料有望得到重复利用。

Liu表示：“要完善这一技术，仍有大量工作要做。未来的研究将侧重于提高选择性，确保MOF在释放所捕获元素的同时，仍能保持良好的耐久性、再生能力以及配体附着状态。尽管如此，我们依然感到非常振奋，因为经过工程化设计的MOF有望成为一种更具可持续性的替代方案，取代目前用于捕获稀土元素的液-液溶剂萃取法。”