En ny studie beskriver en ny metod för att rena sällsynta jordartsmetaller, avgörande komponenter i tekniken som kräver miljöskadliga gruvprocesser. Genom att förlita sig på metallens magnetfält under kristallisationsprocessen, forskare kunde effektivt och selektivt separera blandningar av sällsynta jordartsmetaller.

Sjuttiofem av det periodiska systemets 118 element bärs i fickorna och plånböckerna på mer än 100 miljoner amerikanska iPhone-användare varje dag. Vissa av dessa element är rikliga, som kisel i datorchips eller aluminium för fodral, men vissa metaller som krävs för skarpa skärmar och tydliga ljud är svåra att få tag på. Sjutton grundämnen kända som sällsynta jordartsmetaller är avgörande komponenter i många tekniker men finns inte i koncentrerade avlagringar, och, eftersom de är mer spridda, kräver giftiga och miljöskadliga procedurer för att utvinna.

Med målet att utveckla bättre sätt att återvinna dessa metaller, ny forskning från Eric Schelters labb beskriver ett nytt tillvägagångssätt för att separera blandningar av sällsynta jordartsmetaller med hjälp av ett magnetfält. Tillvägagångssättet, publiceras i Angewandte Chemie International Edition , såg en fördubbling av separationsprestanda och är en startpunkt mot en renare och mer cirkulär ekonomi för sällsynta jordartsmetaller.

Standardmetoden för att separera blandningar av grundämnen är att utföra en kemisk reaktion som får ett av grundämnena att ändra fas, som att gå från flytande till fast, vilket gör att element kan separeras med hjälp av fysiska metoder som filtrering. Denna typ av tillvägagångssätt används för att separera sällsynta jordartsmetaller; blandningar placeras i en lösning av en syra, och en organisk förening och enskilda metalljoner rör sig långsamt ut ur den sura fasen och in i den organiska fasen med varierande hastigheter baserat på metallens kemiska egenskaper.

Det som är svårt är att många kemiska egenskaper, såsom löslighet eller hur de reagerar med andra element, är mycket lika mellan sällsynta jordartsmetaller. Denna brist på en stark kemisk skillnad gör att separering av sällsynta jordartsmetaller är en tids- och energikrävande process som också genererar en betydande mängd surt avfall. "Det fungerar bra när du gör det 10, 000 gånger, men varje enskilt steg är dåligt effektivt, säger Schelter.

Där enskilda sällsynta jordartsmetaller skiljer sig är deras paramagnetism, eller hur attraherade de är av magnetfält. Forskare har varit intresserade av att hitta sätt att använda paramagnetism för att isolera olika sällsynta jordartsmetaller, men tidigare försök hade inte hittat sätt att koppla paramagnetism med en kemisk reaktion eller fasförskjutning.

Den viktigaste upptäckten var att kombinationen av ett magnetfält med en temperaturminskning fick metalljoner att kristallisera med olika hastigheter. Att kristallisera element genom att sänka temperaturen är en vanlig metod i labbet, men omfattningen av dess inverkan var oväntad. "Vi använder lägre temperaturer för att kristallisera många av våra material, " förklarar postdoktorn Robert Higgins, som ledde studien. "Det var en av de saker jag potentiellt kunde använda, men förstod inte i början hur viktigt det faktiskt skulle bli. "

Med denna metod, forskare kan effektivt och selektivt separera tunga sällsynta jordartsmetaller som terbium och ytterbium från lättare metaller som lantan och neodym. Det mest slående resultatet var att ta en 50/50-blandning av lantan och dysprosium och få tillbaka 99,7% dysprosium i ett steg - en "100% boost" jämfört med samma metod men utan att använda en magnet.

Eftersom de kemiska mekanismerna för befintliga separationsmetoder inte är väl förstådda, forskare hoppas att deras systematiska tillvägagångssätt kan ta metallseparationsteknik från "magi" till något mer kontrollerbart, konkurrenskraftig, och kostnadseffektivt. "Om du rationellt kunde utforma sätt att förbättra metallseparationen, det skulle vara en stor fördel, "säger Schelter." Vår position är att ta itu med nischapplikationer relaterade till kemiska separationer med en metod som kan tillämpas på nya separationssystem för att komplettera befintlig teknik. "

Higgins letar nu efter sätt att förbättra reaktionens effektivitet samtidigt som han studerar hur magnetfält interagerar med dessa kemiska lösningar. Han ser denna studie och andra grundläggande kemifynd som ett viktigt första steg mot att göra återvinning av sällsynta jordartsmetaller mer effektiv och hållbar. "Ju snabbare vi kan hitta nya sätt att utföra separationer mer effektivt, desto snabbare kan vi förbättra några av de geopolitiska och klimatfrågor som är förknippade med brytning och återvinning av sällsynta jordartsmetaller, säger Higgins.