在全球化和人口快速增长的推动下，全球对能源的需求不断增长，人们的注意力正在转向无碳和环境可持续的能源。在此背景下，各国对一系列元素材料的需求日益增长，例如核电站大量使用锕系材料，风力发电机的永磁体大量使用稀土元素。从资源的角度，这些材料如铀、钍、钪通常和铁、铝等常见元素共存在天然矿床中，且通常组成复杂的混合物而难以分离。因此，从矿产中选择性分离U、Th和Sc的效率显得至关重要。固相萃取（SPE）是一种用于处理金属资源的综合技术，利用固体材料通过吸附选择性地从水性原料（如矿物渗滤液）中捕获特定组分，再经过沉淀和焙烧获得目标金属的氧化物或富集物。在该领域的研究中，对特定离子的选择性是主要考虑，可以通过对固体材料的结构、表面改性和掺杂来进行调控。
近日，奥地利维也纳大学Freddy Kleitz和Iryna Protsak团队提出了一种配体官能化的方法，可以使用二氧化硅吸附剂从多元素溶液中选择性地提取Sc、其他稀土元素和放射性核素。
在本工作中，团队使用先前报道的方法合成了SBA-15（介孔型二氧化硅），并通过一个简单的两步法对其进行PMDA（均苯四甲酸二酐）改性。之后，团队通过X射线衍射、透射电子显微镜对其进行了结构表征，并通过吸附-解析测试分析了改性前后材料表面积和表面物种变化。
之后，团队使用不同材料进行了对Sc离子的吸附试验，研究了pH的影响和吸附动力学。结果显示，经过改性的SMA-15具有更高的吸附容量和更高的Sc离子亲和力。这种改善很大程度上取决于改性物种上的羰基与Sc离子的高效耦合。
研究团队还进行了多种多元素溶液的吸附实验。在pH为2的溶液中，该改性吸附剂在18/20元素溶液中表现出对Th的高选择性，在pH为4的溶液中则对U表现出高选择性。此外，其还可以在无Sc溶液中有效吸附钕、镝和镧元素。同时，团队进行了10次的重复使用循环，发现其仍能保持完全解吸性能。作者表示，本研究阐述了PMDA改性的SMA-15的吸附剂结构、活性位点和对不同金属离子的可能吸附机制。
论文信息：
Advancing Selective Extraction: A Novel Approach for Scandium, Thorium, and Uranium Ion Capture
Iryna Protsak, Martin Stockhausen, Aaron Brewer, Martin Owton, Thilo Hofmann, Freddy Kleitz*
Small Science
DOI: 10.1002/smsc.202400171
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