新研究: レアアース抽出のための環境に優しい手法を発見

Tokyoレアアース元素は、スマートフォンや電気自動車、再生可能エネルギーシステムといった現代の技術に必要不可欠です。しかし、これらの金属を精製する現在の方法では、強酸や有害な溶剤を使用しており、環境汚染を引き起こしています。このことから、よりクリーンな方法の必要性が浮き彫りになっています。サンディア国立研究所の研究者たちは、水を基にした混合物から金属有機構造体（MOF）を用いて、レアアースのより環境に優しい抽出法を開発するために取り組んでいます。

MOFは金属部分と有機リンクで構成された小さな構造体です。これらの部分を変えることで、研究者は特定の希土類元素を吸収する「スポンジ」を作ることができます。この新しい方法は多くの利点を提供します。

• 有害な化学物質を避けることで、環境への影響を軽減します。
• レアアースの分離をより効率的に行うことができます。
• 特定の金属を標的としたMOFの調整が可能です。

サンディアのチームは、コンピューターモデルとX線検査を用いて、MOFがどの程度希土類元素を吸収できるかを最初に調べました。彼らは特定の希土類元素のみを選び出し、他の元素を除去できるMOFを作ろうとしています。これにより、電子機器、電気自動車、再生可能エネルギーなどの産業に変革がもたらされる可能性があります。

ある研究では、研究者たちはジルコニウムを基盤とした2種類の金属有機フレームワーク（MOF）を作成しました。リン酸基のような負に帯電した基をリンクに加えると金属の吸着が助長されることが分かりました。興味深いことに、これらの基を金属中心に取り付けても希土類金属の吸着には大きな影響を与えませんでしたが、ニッケルをコバルトよりも選択的に吸着する能力が向上しました。つまり、MOFの構造によってその機能が変わることを意味しています。

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ケビン・レオンという科学者は、コンピューターを用いて材料を研究しています。彼は分子動力学と密度汎関数理論を使って、希土類元素の挙動を解析しました。その結果、これらの元素は水よりも負に帯電した化学物質に結合しやすいことを発見しました。そして、この傾向はルテチウムのような重い元素でさらに強くなることがわかりました。しかし、彼は特定の化学基が単一の金属だけに選択的に結合することはないとも発見しました。

X線分光法により、さらなる詳細が明らかになりました。アナスタシア・イルゲンの研究によると、希土類元素はジルコニウムおよびクロムのMOFの金属中心に結合します。ホスホネート基を含むMOFでは、希土類元素はこれらの基と結合することを好みます。これにより、化学組成を調整して結合選択性を向上させることが可能であることがわかります。

研究者たちは、特定のイオンを選択的に取り出せるMOFの設計方法を探求しています。金属部分の化学構造を変えたり、複数の金属を使用したり、表面基の特性を調整したりします。こうした要素を調整することで、彼らはレアアース元素を効果的に分離できるMOFの開発を目指しています。

サンディアの研究は、重要な金属をよりクリーンで効率的に精製する方法を開発しています。これにより、環境への影響を減らし、必須技術の持続可能性を向上させることが可能になります。このチームの取り組みは、MOF（メタル–オーガニックフレームワーク）が材料科学における主要な課題に対処するための有用なツールとなり得ることを示しています。