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東北師范大學(xué)朱廣山課題組在分子印跡多孔材料的創(chuàng)制與稀土元素鈧（Sc）高效提取方面取得新進(jìn)展
來源：東北師范大學(xué) 2023-08-28
導(dǎo)讀：近期，東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院朱廣山教授課題組合成了一種三個羧酸與鈧離子的配合物，其立體構(gòu)型與多孔骨架材料的次級結(jié)構(gòu)單元完全一致，采用同構(gòu)替換的方法將離子配合物固載到多孔骨架材料上，洗脫掉配位離子之后就得到了鈧離子印跡多孔材料（如圖）。協(xié)同配位熱力學(xué)和水合離子動力學(xué)的差異，實現(xiàn)了專一性的鈧金屬離子吸附。
圖說：將配位鍵制備的鈧金屬配合物與共價鍵鏈接的分子結(jié)構(gòu)片段進(jìn)行按比例替換，洗脫掉鈧離子模板后制得分子印跡共價有機(jī)多孔材料。鈧是稀土金屬之一，被美國和俄羅斯等認(rèn)為是一種重要的“戰(zhàn)略（strategic）”和“關(guān)鍵（critical）”金屬元素，其在超導(dǎo)、合金、激光、核能和航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價值。然而，在自然界中不存在單一的鈧礦資源，其主要作為鐵、鎘、鋁、鑭系和其他礦石加工過程中的副產(chǎn)品。從母體礦石中分離出鈧的過程非常復(fù)雜，包括：預(yù)處理、酸浸、萃取、洗滌、反萃、精提等多個步驟，其提取和加工所需的能量約為97GJ/kg，比其他鑭系元素高兩個數(shù)量級。上述問題導(dǎo)致國際鈧價居高不下，價格最高時約為黃金市價的10倍，嚴(yán)重限制了鈧金屬相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在過去的十年中，眾多科研工作者致力于開發(fā)新方法和新材料來選擇性地、高效地、可持續(xù)地提取鈧元素。朱廣山教授課題組常年從事多孔材料的設(shè)計研究，在配位鍵連接的金屬有機(jī)框架材料和共價鍵連接的多孔芳香骨架材料方面取得了系列進(jìn)展，制備了數(shù)百中金屬有機(jī)框架材料和多孔芳香骨架材料。經(jīng)過系統(tǒng)的研究，課題組發(fā)現(xiàn)配位鍵鍵能在60-350 kJ mol-1范圍內(nèi)，在強(qiáng)酸/強(qiáng)堿溶液中會發(fā)生解離；而共價鍵的鍵能在300-600 kJ mol-1范圍內(nèi)，在強(qiáng)酸/強(qiáng)堿環(huán)境下能夠穩(wěn)定存在。上述差異為在共價鍵連接的有機(jī)多孔材料框架內(nèi)進(jìn)行配位鍵誘導(dǎo)的裁剪和結(jié)合提供了理論基礎(chǔ)。朱廣山教授課題組制備的離子印跡有機(jī)骨架，將共價鍵和配位鍵的特點和優(yōu)勢進(jìn)行結(jié)合，針對鈧離子，展現(xiàn)出優(yōu)異的離子選擇性（選擇系數(shù) > 1.1×102）吸附能力，首次揭示了分子印跡技術(shù)在多孔骨架內(nèi)部的作用機(jī)制，為創(chuàng)制新型多孔材料提供了理論指導(dǎo)，使低成本提取金屬鈧成為可能。相關(guān)成果以“Selective scandium ion capture through coordination templating in a covalent organic framework（配位模板策略構(gòu)建共價有機(jī)框架用于選擇性鈧離子捕獲）”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Chemistry （自然化學(xué)）》上，元野教授和楊亞杰博士為第一作者，Jeffrey R. Long和朱廣山教授為通訊作者，東北師范大學(xué)為第一通訊單位。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01273-3
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