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東北師范大學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展
來源：東北師范大學 2023-08-28
導讀：近期，東北師范大學化學學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，其立體構型與多孔骨架材料的次級結構單元完全一致，采用同構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)同配位熱力學和水合離子動力學的差異，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構片段進行按比例替換，洗脫掉鈧離子模板后制得分子印跡共價有機多孔材料。鈧是稀土金屬之一，被美國和俄羅斯等認為是一種重要的“戰(zhàn)略（strategic）”和“關鍵（critical）”金屬元素，其在超導、合金、激光、核能和航空航天等高技術領域具有巨大的應用價值。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品。從母體礦石中分離出鈧的過程非常復雜，包括：預處理、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。上述問題導致國際鈧價居高不下，價格最高時約為黃金市價的10倍，嚴重限制了鈧金屬相關產業(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計研究，在配位鍵連接的金屬有機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展，制備了數(shù)百中金屬有機框架材料和多孔芳香骨架材料。經過系統(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，在強酸/強堿溶液中會發(fā)生解離；而共價鍵的鍵能在300-600 kJ mol-1范圍內，在強酸/強堿環(huán)境下能夠穩(wěn)定存在。上述差異為在共價鍵連接的有機多孔材料框架內進行配位鍵誘導的裁剪和結合提供了理論基礎。朱廣山教授課題組制備的離子印跡有機骨架，將共價鍵和配位鍵的特點和優(yōu)勢進行結合，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在多孔骨架內部的作用機制，為創(chuàng)制新型多孔材料提供了理論指導，使低成本提取金屬鈧成為可能。相關成果以“Selective scandium ion capture through coordination templating in a covalent organic framework（配位模板策略構建共價有機框架用于選擇性鈧離子捕獲）”為題發(fā)表在國際學術期刊《Nature Chemistry （自然化學）》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，東北師范大學為第一通訊單位。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01273-3
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