【2024年10月01日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）分離稀土的工藝步驟既複雜又易產生大量污染物，令人類環境難以承受。最近，美國能源部橡樹嶺國家實驗室發現一些化學「變色龍」，可快速簡化稀土的純化過程，還有望降低稀土分離時帶來的污染。
世界常用的稀土金屬有10多種，大多以化合物的形式存在於天然礦石和土壤中，許多電子元件和芯片等離不開稀土金屬。但由於稀土中金屬的化學性質非常相似，且分布在微量雜質中，使提煉和分離它們的難度很大。
稀土金屬中的鑭系（Ln）元素大多藏於礦物中，經常需要許多步驟進行提純，但整個提純過程，需要大量含有抓取特定金屬的配體溶液和有機溶劑，還必須按照「重到輕」或「輕到重」的順序進行分離，因此整個分離過程既昂貴又耗時，還極易污染環境。所以人們急需一種更有效率、選擇性和環境友善的分離技術。
這次，美國能源部的橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）、范德比爾特大學（Vanderbilt University）共同合作尋找高效獲取鑭系金屬的方法。結果發現，一些「變色龍」般的獨特配體可隨環境變化而變化，並與不同的鑭系元素結合。該研究成果於8月中旬發表在《美國化學學會》期刊上。
研究人員先是找來具有結構穩定性好、不易水解、催化活性高的四齒雙內醯胺配體，並引入取代基，使配體可溶於常見的有機溶劑，最後再透過銠（Rh）或鈀（Pd）催化劑製成4種外型相近的「變色龍」配體。
這些「變色龍」配體是一種含有由氮（N）基和氧（O）基組成的四齒配體（含有4個以上的能提供孤電子對的原子）。這些氮基、氧基有類似「鉗子」的功能，可以抓取周圍的鑭系金屬。這些「鉗子」的行為會隨著周圍環境的改變而發生變化，其中包括溶液的酸鹼濃度不同，與鑭系中輕重不同的元素結合。例如，在低硝酸濃度下，會優先抓取較輕的鑭系離子元素（靠近鑭的元素），若在高硝酸濃度下則會優先抓取較重的鑭系離子元素（靠近鎦的元素）。
另外，研究人員還發現，這些「變色龍」配體的選擇性會隨著時間的推移，從鈰（Ce）元素逐漸穩定轉向釤（Sm）元素。若在較高硝酸濃度下，配體的選擇性會從釤逐漸轉向鐿（Yb）元素。
這一現象表明，只需在不同環境和條件下控制時間和溶液的酸鹼度，「變色龍」配體就可自由地對輕、中和重鑭系元素進行抓取和分離，且還能減少過去分離時需要昂貴的藥劑和繁瑣的步驟。
研究人員表示，雖然這些「變色龍」配體外表看起來與其它成熟的配體十分相似，但它們具有完全不同的行為，且還有許多未解之謎，希望未來能更深入研究這些配體，以發現更多具有類似行為的化合物配體。
橡樹嶺國家實驗室奈米材料化學小組的放射化學家蘇巴邁·普拉馬尼克（Subhamay Pramanik）對該實驗室化學科學部的新聞室表示，「過去分離稀土是一個巨大的挑戰，因為鑭系元素離子的大小和化學性質差異非常小，致使分離它們需要更精確的分離方法。」
該研究的共同領導者、橡樹嶺國家實驗室的聖詹索內-波波娃（Santa Jansone-Popova）說，「在典型的分離系統中，配體通常表現出對較輕或較重的鑭系元素的偏好。不過，我們發現使用這些相似的化合物，可以進行多種不同的分離，同時確定這種配體在分離稀土元素時的運作機制。」
該實驗的另一位科學家伊利亞·波波夫斯（Ilja Popovs）解釋，「這種方法能使稀土的分離過程變得更快、更清潔、更好，並提供更好的選擇性和純度。」
這項工作由美國能源部的科學分離和材料化學計劃辦公室贊助，同時用了美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory’s Advanced）的先進光子源，和布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory’s）的同步加速器。
