科学家表示带电盐可以提取特定的中心镧系元素

稀土元素是用于从风力涡轮机和磁共振成像剂到工业催化剂和高清晰度电视的技术中的金属。大多数是镧系元素，元素周期表中原子序数从57到71，镧到l的元素。镧系元素主要形成三价阳离子(净正电荷为3)。镧系元素具有相似的化学性质，并且它们彼此区别的唯一重要的物理特征是尺寸。

随着镧系元素原子数的增加，它们的离子半径减小 - 这种现象被称为“镧系元素收缩”。离子半径的这种收缩为每个元素产生了不同的化学和电子特性，因为存在相同的电荷但是局限于收缩区域。

能源部橡树岭国家实验室的研究人员想知道是否有可能制造出一种能够选择性地与镧系元素中间的金属阳离子结合的分子。该团队通过成功创建一种选择性提取中心镧系元素的新配体，提供了原理验证。更容易接近这些中心镧系元素可以促进技术的进步，例如激光器(使用中心镧系元素钬和镝)，强磁体(钬)，光(镝)和核反应堆中的吸收中子的控制棒(铒) 。

在ORNL和田纳西大学诺克斯维尔分校联合任命的盛黛构思了选择性提取中心镧系元素的新方法。他的小组使用离子液体，即在室温下为液体的盐。盐是含有正离子和负离子的中性化合物。在任务特定的离子液体中，熔融盐和配体在同一分子中结合。Dai的团队创造了一种特定任务的离子液体，它使用电荷密度作为区分各种镧系元素的基础。

ORNL的化学分离小组的Neil Williams说：“我们采取了一种配体并将其连接到带正电荷的离子上。”他于12月19日在檀香山的Pacifichem 2015上展示了研究结果。“我们采用了一种选择性的配体在镧系元素末端的l，我们选择了钬，它更接近镧系元素的中间位置。我们通过束缚正电荷来改变配体的选择性。“

改进的镧系元素选择性为更好的提取打开了大门。“在此之前，你必须经历非常耗时的分离，需要很多阶段来分离各个元素，”威廉姆斯说。“任务特定的离子液体可以让你去除那些阶段并直接按照你想要的方式进行。”

新的过程，新的可能性

在传统的镧系元素分离中，将与镧系元素络合的配体混入有机溶剂中，然后与镧系元素的水溶液混合。像沙拉酱中的油和水一样，有机相和水相分离，配体结合的镧系元素被萃取到有机相中。

有机溶剂具有缺点。它们易燃，蒸发并可形成中间阶段，降低提取效果。在20世纪90年代，科学家开始探索室温离子液体作为有机溶剂的替代品。

ORNL研究人员采用的一种新方法采用了一种特定于任务的离子液体，该液体适用于与镧系元素形成络合物的共同配体四辛基二甘醇酰胺(TODGA)。科学家改变了TODGA，使其成为一种特定任务的离子液体，通过去除两个辛基[八碳]链并连接一个带有三个碳和两个氮的带正电环的咪唑鎓，选择性地与中心镧系元素结合。这些修饰改变了配体的特性。“我们已经从一个没有充电的配体变成了一个带有正电荷的配体，”威廉姆斯解释道。“这正是推动我们选择性改变的原因。”

威廉姆斯制造了这些化合物并寻求更有效的合成途径，田纳西大学的博士后研究员Chi-Linh Do-Thanh。他们使用自动柱色谱系统纯化化合物，使用硅胶柱和各种极性的有机溶剂分离每种反应组分，最终得到最终化合物 - 所需的任务特定离子液体。

ORNL能源与环境科学理事会的Huimin Luo，前ORNL博士后研究员Joseph Stankovich和Williams进行了分析，以确定任务特定的离子液体如何有效地将各个镧系元素彼此分离。他们使用电感耦合等离子体质谱法，使用比太阳表面更热的等离子炬将提取样品中的分子分解成其元素成分。然后基于它们各自的质量识别这些单独的带电元素。

威廉姆斯说：“如果你的金属真的是电荷密集的，而且你有另一种配体与它复合，或者与它结合，那也同样充电，那么你就可以排斥这两种电荷。” 电荷排斥降低了配体结合的有效性，但提高了选择性。“这是一个权衡，威廉姆斯说。”你不会退出那么多。但是你有选择地抽出你想要的东西。这就是我们能够推动从l到钬的选择性的原因。“

接下来，科学家将改变其他配体，以进一步探索对选择性的影响，并使用更多种溶剂研究复合物。他们还将研究从act系元素中分离镧系元素，act系元素是原子序数89到103(act到law)的放射性金属，包括铀，钚和钍。威廉姆斯说，由于镧系元素和act系元素是在核反应堆中产生的，因此半衰期较长的放射性元素与半衰期较短的分离可以更好地降低储存成本。