Аннотация:
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн разработали новую экстракционную молекулу, которая может приводить в действие непосредственно электричеством для извлечения ценных металлов из электронных отходов, горнодобывающей логистики и промышленных отходов, а также значительно снижает зависимость традиционных процессов от химических реагентов. Это исследование может сделать процесс переработки металлов чище, проще и энергоэффективнее.
Результат исследования, проведенного Су Сяо, профессором химической и биомолекулярной инженерии в школе, был опубликован в журнале «ACS Energy Letters». Ранее исследовательская группа предложила в 2024 году технологию непрерывной электрохимически опосредованной жидкостно-жидкостной экстракции e-LLE для извлечения золота из электронных отходов. Технология показывает, что электричество может заменить большие количества кислот и оснований, которые обычно требуются при жидкостно-жидкостной экстракции. Жидкостно-жидкостная экстракция — это метод, широко используемый для разделения и очистки металлов, но системы того времени все еще требовали дополнительных химических реагентов для завершения всего цикла экстракции.
На этот раз исследователи устранили этот оставшийся химический этап, модифицировав саму молекулу экстракции. Они разработали многофункциональную молекулу, которая избирательно связывает ионы металлов, имеет постоянный заряд и стабильна в органической фазе, используемой для экстракции. Поскольку молекула несет собственный электрический заряд, исследователи могут контролировать ее реакцию напрямую с помощью электричества, устраняя необходимость в промежуточных химических реагентах, которые были необходимы ранее.
Постоянный заряд, встроенный в новую молекулу, действует как электролит, делая жидкость проводящей, говорит научный сотрудник Дебора Шмидт, соавтор статьи. Следовательно, окислительно-восстановительные реакции могут запускаться электричеством, а не химическими веществами. Она отмечает, что эта работа позволяет полностью электрифицировать промышленный процесс разделения, который в значительной степени зависит от химических реагентов.
Су Сяо сказал: «Это первый раз, когда мы проводим электрохимическую экстракцию растворителем так, как мы когда-то себе представляли. Мы заряжаем молекулу, она связывает металл и переводит его в органическую фазу, а затем высвобождает металл посредством электричества».
Управляя процессом напрямую с помощью электричества, можно сократить потребление химикатов на один-два порядка, а также упростить цикл экстракции. Замена промежуточных реагентов электричеством теоретически может сократить как химические отходы, так и потребление энергии.
В ходе лабораторных испытаний исследователи использовали эту молекулу для избирательного извлечения золота из фильтрата электронных отходов. Так называемый фильтрат представляет собой раствор, образующийся при растворении драгоценных металлов в отходах электронных изделий. Золото — первая демонстрация этого исследования, но более крупная цель команды — установить набор принципов молекулярного дизайна для разработки электроактивных экстрагентов для решения других задач разделения.
Адриек Агуда, соавтор статьи и аспирант, сказал, что эту систему можно адаптировать для селективного извлечения различных ценных металлов, например, для извлечения металлов платиновой группы из отработанных автокатализаторов, а также для извлечения нескольких ключевых элементов из хвостов или другого сложного сырья. Поскольку сама электрохимическая платформа остается практически неизменной, исследователи могут корректировать химическую структуру экстрагента для целевого использования различных металлов в зависимости от различных потребностей применения.
Су Сяо сказал, что это исследование открывает основной путь к пониманию и проектированию таких систем. На следующем этапе команда сосредоточится на продвижении этой технологии для применения в промышленных масштабах, продолжая при этом разрабатывать новые решения для молекулярного дизайна и стремясь к сотрудничеству в области компьютерного моделирования и искусственного интеллекта для ускорения проверки и открытия новых экстрагентов.
Су Сяо сказал, что, поскольку важнейшим вопросам минеральных ресурсов и цепочки поставок уделяется все больше внимания, это достижение показывает, что электрохимия имеет потенциал для обеспечения масштабируемой, малоотходной технологии разделения и побуждает людей переосмыслить, как перерабатывать металлы более чистым и полностью электрифицированным способом.
Исследовательская работа называется «Прямая электрификация жидкостно-жидкостной экстракции путем придания фиксированных зарядов селективным окислительно-восстановительным активным соединениям» и была опубликована в «ACS Energy Letters» 7 июля 2026 года. DOI: 10.1021/acsenergylett.6c01434. Исследование финансировалось Отделом фундаментальных энергетических наук и Программой разделительных наук Управления науки Министерства энергетики США, номер проекта DE-SC0025636.
Комментарии