新发现：“变色龙”配体让稀土提纯效率更高

美国能源部橡树岭国家实验室发现一些化学“变色龙”，可以快速简化稀土的纯化过程。图为南非西开普省的斯廷坎普斯克拉尔（Steenkampskraal，简称SKK）稀土矿床。（Rodger Bosch/AFP via Getty Images）

分离稀土的工艺步骤既复杂又易产生大量污染物，令人类环境难以承受。最近，美国能源部橡树岭国家实验室发现一些化学“变色龙”，可快速简化稀土的纯化过程，还有望降低稀土分离时带来的污染。

世界常用的稀土金属有10多种，大多以化合物的形式存在于天然矿石和土壤中，许多电子元件和芯片等离不开稀土金属。但由于稀土中金属的化学性质非常相似，且分布在微量杂质中，使提炼和分离它们的难度很大。

稀土金属中的镧系（Ln）元素大多藏于矿物中，经常需要许多步骤进行提纯，但整个提纯过程，需要大量含有抓取特定金属的配体溶液和有机溶剂，还必须按照“重到轻”或“轻到重”的顺序进行分离，因此整个分离过程既昂贵又耗时，还极易污染环境。所以人们急需一种更有效率、选择性和环境友善的分离技术。

这次，美国能源部的橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）、范德比尔特大学（Vanderbilt University）共同合作寻找高效获取镧系金属的方法。结果发现，一些“变色龙”般的独特配体可随环境变化而变化，并与不同的镧系元素结合。该研究成果于8月中旬发表在《美国化学学会》期刊上。

研究人员先是找来具有结构稳定性好、不易水解、催化活性高的四齿双内酰胺配体，并引入取代基，使配体可溶于常见的有机溶剂，最后再透过铑（Rh）或钯（Pd）催化剂制成4种外型相近的“变色龙”配体。

这些“变色龙”配体是一种含有由氮（N）基和氧（O）基组成的四齿配体（含有4个以上的能提供孤电子对的原子）。这些氮基、氧基有类似“钳子”的功能，可以抓取周围的镧系金属。这些“钳子”的行为会随着周围环境的改变而发生变化，其中包括溶液的酸碱浓度不同，与镧系中轻重不同的元素结合。例如，在低硝酸浓度下，会优先抓取较轻的镧系离子元素（靠近镧的元素），若在高硝酸浓度下则会优先抓取较重的镧系离子元素（靠近镏的元素）。

另外，研究人员还发现，这些“变色龙”配体的选择性会随着时间的推移，从铈（Ce）元素逐渐稳定转向钐（Sm）元素。若在较高硝酸浓度下，配体的选择性会从钐逐渐转向镱（Yb）元素。

这一现象表明，只需在不同环境和条件下控制时间和溶液的酸碱度，“变色龙”配体就可自由地对轻、中和重镧系元素进行抓取和分离，且还能减少过去分离时需要昂贵的药剂和繁琐的步骤。

研究人员表示，虽然这些“变色龙”配体外表看起来与其它成熟的配体十分相似，但它们具有完全不同的行为，且还有许多未解之谜，希望未来能更深入研究这些配体，以发现更多具有类似行为的化合物配体。

橡树岭国家实验室纳米材料化学小组的放射化学家苏巴迈·普拉马尼克（Subhamay Pramanik）对该实验室化学科学部的新闻室表示，“过去分离稀土是一个巨大的挑战，因为镧系元素离子的大小和化学性质差异非常小，致使分离它们需要更精确的分离方法。”

该研究的共同领导者、橡树岭国家实验室的圣詹索内-波波娃（Santa Jansone-Popova）说，“在典型的分离系统中，配体通常表现出对较轻或较重的镧系元素的偏好。不过，我们发现使用这些相似的化合物，可以进行多种不同的分离，同时确定这种配体在分离稀土元素时的运作机制。”

该实验的另一位科学家伊利亚·波波夫斯（Ilja Popovs）解释，“这种方法能使稀土的分离过程变得更快、更清洁、更好，并提供更好的选择性和纯度。”

这项工作由美国能源部的科学分离和材料化学计划办公室赞助，同时用了美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory’s Advanced）的先进光子源，和布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory’s）的同步加速器。