새 연구: 희토류 요소 친환경 추출 방법 발견

Seoul희토류 원소는 스마트폰, 전기 자동차, 재생 에너지 시스템과 같은 현대 기술에 필수적입니다. 하지만 현재 이러한 금속을 정제하는 방법은 강산과 유해한 용매를 사용하여 오염을 일으키고 있습니다. 이는 환경적 염려를 불러일으키며, 보다 친환경적인 방법의 필요성을 보여주고 있습니다. 샌디아 국립 연구소의 연구원들은 물 기반 혼합물에서 금속-유기 프레임워크(MOFs)를 사용하여 희토류를 추출하는 환경 친화적인 방법을 개발하고 있습니다.

MOF는 금속 구성 요소와 유기물 연결로 이루어진 작은 구조입니다. 이러한 구성 요소를 변경함으로써, 연구자들은 특정 희토류 원소를 흡수하는 "스펀지"를 만들 수 있습니다. 이 새로운 방법은 많은 이점을 제공합니다.

• 유독 화학물질 사용을 피함으로써 환경적 영향을 감소시킵니다.
• 희토류의 더욱 효율적인 분리를 가능하게 합니다.
• 특정 금속을 표적으로 하는 MOF의 정밀한 조정을 허용합니다.

샌디아 팀은 컴퓨터 모델과 X선 실험을 통해 MOF가 얼마나 효과적으로 희토류 원소를 흡수할 수 있는지를 먼저 확인했습니다. 그들은 특정 희토류 원소만 선택하고 나머지는 걸러낼 수 있는 MOF를 만들기 원합니다. 이는 전자기기, 전기 자동차, 재생 에너지 등 다양한 산업에 혁신을 가져올 수 있습니다.

한 연구에서 연구자들은 두 가지 유형의 지르코늄 기반 금속-유기 골격체(MOF)를 만들었습니다. 그들은 인산염과 같은 음전하를 띤 그룹을 결합체에 추가하면 금속 흡착이 향상된다는 것을 발견했습니다. 흥미롭게도, 이러한 그룹이 금속 중심에 붙어 있을 때는 희토류 금속의 흡착에는 큰 영향을 미치지 않았지만 니켈을 코발트보다 선호하는 능력을 향상시켰습니다. 이는 MOF의 구조가 작동 방식을 변화시킬 수 있음을 의미합니다.

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재료를 컴퓨터로 연구하는 과학자 케빈 렁은 분자 동역학과 밀도 범함수 이론을 사용하여 희토류 원소의 행동을 분석하였다. 그는 이러한 원소들이 물보다 음전하를 띤 화학 물질과 더 잘 결합하는 경향이 있다는 것을 발견했으며, 특히 루테튬 같은 무거운 원소일수록 이러한 경향이 더 강해진다고 밝혔다. 하지만 특정 화학 그룹이 단일 금속 종류만을 선택적으로 결합할 수는 없다는 것도 알아냈다.

X선 분광법을 통해 더 많은 정보를 얻었습니다. 아나스타샤 일겐의 연구에 따르면, 희토류 원소는 지르코늄과 크로뮴의 MOF에서 금속 중심에 결합합니다. 인산염 그룹을 가진 MOF에서는 희토류 원소가 이러한 그룹에 결합하는 것을 선호합니다. 이는 화학적 조성을 조정하여 결합 선택성을 향상시킬 수 있음을 의미합니다.

연구자들은 다양한 방법으로 MOF를 설계하여 특정 이온을 선택하는 방법을 모색하고 있습니다. 금속 부분의 화학 성질을 변경하거나, 여러 종류의 금속을 사용하거나, 표면 그룹의 특성을 조절할 수 있습니다. 이러한 요소들을 조정하여 희토류 원소를 효과적으로 분리할 수 있는 MOF를 만들고자 합니다.

샌디아의 연구는 금속을 더 깨끗하고 효율적으로 정제하는 방법을 발전시키고 있습니다. 이는 환경 피해를 줄이고 필수 기술의 지속 가능성을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다. 연구팀의 작업은 MOF가 재료 과학의 주요 문제를 해결하는데 유용한 도구가 될 수 있음을 보여줍니다.