一种更清洁的稀土元素提纯路线

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镧、钕、镝等稀土元素广泛应用于电动汽车电机、家用LED灯及医用MRI设备中。然而，这些元素在开采后必须经过复杂的分离提纯。传统工艺依赖大量有毒化学品，成本高昂且难度大。如今，芝加哥大学普利兹克分子工程学院刘聪副教授团队联合西北大学与阿贡国家实验室，开发出一种基于水相电化学插层的全新分离技术。该方法利用锰氧化物层状结构的空间限域效应，结合镁离子“钉扎”调控，实现了稀土元素的高效、绿色分离，为未来稀土加工的本土化与环保化提供了全新思路。

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镧、钕和镝等稀土元素被用于制造汽车中的电动机、家中的LED灯以及医生办公室里的MRI设备。但首先，它们必须被开采并彼此分离。历史上，这种提纯一直是一个困难且昂贵的过程，依赖于大量有毒化学品。

如今，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）刘聪（Chong Liu）副教授实验室的研究人员，与西北大学和阿贡国家实验室的同事合作，发现了一种更清洁的稀土元素分离方法。

这种新方法依赖于一种层状氧化锰——这种矿物材料具有合适的层间距，允许离子进出，并能区分不同的稀土元素。

“这是人们首次利用电化学插层技术，并利用其结构特征来分离本质上极难分离的相似镧系元素，”该研究发表于《自然·化学工程》（Nature Chemical Engineering），刘聪作为资深作者表示。“同样有价值的是，我们提供了大量关于稀土离子如何与该材料相互作用的新认知，以及我们如何操控它以实现更好的选择性。”

“这种分离方法与其他稀土分离方法具有竞争力，但它是在水中进行的，无需有机溶剂，”西北大学化学教授、该研究合著者乔治·沙茨（George Schatz）表示。“这种差异在实际制造规模上可能会产生重要影响。”

将元素挤压通过通道

17种稀土元素（包括15种镧系元素，以及钪和钇）很少单独存在。它们几乎总是一起被开采，且在化学性质上几乎完全相同，仅凭离子尺寸和酸度的微小差异来区分。将它们分离通常需要定制分子和大量酸，酸用于将每种元素从这些分子上剥离。

“稀土元素总是混合在一起，无论是在矿石中还是在废物流中，将它们彼此分离是第二步，即使在你将它们与其他物质分开之后，这也是一个极具挑战性的步骤，”UChicago PME研究生、该论文共同第一作者刘佳东（Jiadong Liu）表示。

刘聪及其同事知道，稀土离子之间的一个差异在于它们在溶液中溶解时周围水化层的大小。较轻的稀土元素（如镧）具有较大的第一水化层，而较重的稀土元素（如镝）则具有较小的第一水化层。

利用这种尺寸差异，刘聪团队对氧化锰进行了工程改造，使其堆叠层之间的间隙仅能容纳几个水分子。然后，他们将稀土元素的原始混合物挤压进去。

该方法将元素分为两组。具有较小水化层的较重镧系元素更紧密地卡在通道中。具有较大水化层的较轻镧系元素则将层推开，减弱了结合力。

为了在分子层面确认发生的情况，UChicago PME团队与沙茨在西北大学的团队合作，使用密度泛函理论进行量子力学模拟，该方法基于基础物理学预测原子的排列和相互作用方式。他们还与阿贡的科学家合作获取了实验X射线数据。

“看到我们的密度泛函理论计算与同步辐射X射线测量结果如此吻合，令人无比振奋，”该研究共同第一作者Woo Cheol Jeon表示，他曾在乔治·沙茨的实验室从事博士后研究。“计算让我们能够逐个原子地观察每种稀土元素如何在受限通道内排列其水化壳，这是实验无法直接解析的。”

精细调控提纯过程

虽然新工艺分离了最重和最轻的稀土元素，但一些最有用的元素仍然表现得太相似而难以分离。为了精细调控提纯过程以区分相似的稀土元素对，研究团队使用了电流并添加了镁离子。

镁离子充当了支架，将氧化锰通道固定在设计好的间距上，即使稀土元素试图将其撑开——这种效应被称为“钉扎”（pinning）。现在，即使稀土离子极其相似，它们与层状材料的结合也显示出差异。

“即使行为几乎相同的元素，仍会试图撑开材料以为其水分子腾出空间，”该研究共同第一作者、UChicago PME前博士生邹思琪（Siqi Zou, PhD'24）表示。“通过钉扎通道使其完全无法膨胀，我们迫使这种微小的行为差异转化为每种元素结合强度的显著差异。”

加入镁离子后，钕相对于镧的富集倍数从1.6倍跃升至5.4倍。经过两轮提纯，研究人员可获得纯度达97%的钕样品。其他稀土元素也观察到了类似的改进。

更清洁的未来

研究人员表示，这种新的提纯方法最终可能指向关于稀土加工地点的不同思考方式。

“目前，稀土矿石在全球各地开采，但几乎所有矿石最终都被运往海外进行加工，”该研究合著者沙茨表示。“像这样仅使用水和电而非有机溶剂的方法，正是那种能够真正改变加工方式和地点的技术。”

然而，该方法尚未准备好扩大规模以取代工业提纯。不过，它指向了一个更广泛的设计原则：调节通道的宽度可以决定材料偏好哪种离子，即使这些离子的差异仅为几分之一埃。

刘聪团队目前正在对15种镧系元素中的更多元素测试该方法，而沙茨正在完善其计算模型，旨在更定量地解释钉扎效应。他还使用为这项工作开发的相同建模方法来研究其他材料。

资讯来源

• pme.uchicago.edu (2026-07-21)
• 原文： A cleaner route to purifying rare earth elements