Ädelmetaller som platina och palladium blir allt viktigare på grund av tillväxten i miljövänliga applikationer som bränsleceller och föroreningskontrollkatalysatorer. Men världen har begränsade mängder av dessa material, vilket innebär att tillverkare måste förlita sig på effektiva återvinningsprocesser för att möta efterfrågan.

Befintliga återvinningsprocesser använder en kombination av två oorganiska syror som kallas "aqua regia" för att lösa upp ädelmetaller, en klass av material som inkluderar platina, palladium, guld och silver. Men eftersom metallerna ofta löses ihop, föroreningar som införs i återvinningsprocessen kan skada effektiviteten hos katalysatorer som tillverkas av de återvunna materialen. Nu, Forskare vid Georgia Institute of Technology har utvecklat en ny organisk lösningsmedelsprocess som kan hjälpa till att lösa problemet – och öppna upp nya möjligheter för att använda dessa metaller i cancerterapi, mikroelektronik och andra tillämpningar.

Det nya lösningsmedelssystemet Georgia Tech använder en kombination av två kemikalier – tionylklorid och en mängd olika organiska reagenser som pyridin, N, N-dimetylformamid (DMF), pyrimidin eller imidazol. Koncentrationerna kan justeras för att företrädesvis lösa upp guld eller palladium, och ännu viktigare, ingen kombination av de organiska kemikalierna löser platina. Denna förmåga att företrädesvis lösa upp ädelmetaller skapar ett skräddarsytt system som ger en hög nivå av kontroll över processen.

"Vi måste kunna selektivt lösa dessa ädelmetaller för att säkerställa deras renhet i en mängd viktiga tillämpningar, sa C.P. Wong, en Regents-professor vid Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Även om vi inte helt förstår hur det fungerar ännu, vi tror att detta system öppnar många nya möjligheter för att använda dessa metaller."

En artikel som beskriver forskningen publicerades nyligen i tidskriften Angewandte Chemie .

Katalysatorsystem som använder mer än en metall, såsom palladium med en guldkärna, blir allt vanligare i industriella processer. För att återvinna dessa, det nya lösningsmedelssystemet – kallat "organisk aqua regia" – kunde först använda en kombination av tionylklorid och DMF för att lösa upp guldet, lämnar ihåliga palladiumsfärer. Sedan kunde palladiumsfärerna lösas upp med en annan kombination.

Än så länge, forskarna har visat att lösningsmedelssystemet selektivt kan lösa guld och palladium från en blandning av guld, palladium och platina. De har också använt det för att ta bort guld från en blandning av guld och palladium.

Utöver återvinning, det nya lösningsmedelssystemet skulle också kunna ge nya sätt att producera cancerkemoterapimedel i nanometerskala som involverar dessa metaller. Och den nya lösningsmedelsmetoden kan få viktiga konsekvenser för elektronikindustrin, som använder ädelmetaller som ofta måste avlägsnas efter specifika bearbetningssteg. Utöver selektivitet, det nya tillvägagångssättet erbjuder också andra fördelar för elektroniktillverkning – ingen potentiellt skadlig kontaminering lämnas kvar och bearbetningen sker under milda förhållanden.

"Inom halvledarproduktion, människor vill undvika att ha en metallkatalysator kvar i enheter, men i många fall de kan inte använda befintliga vattenbaserade processer eftersom dessa kan skada halvledaroxiderna och införa kontaminering med fria joner i vattenlösningen, " förklarade Wei Lin, en forskarassistent i Wongs laboratorium. "Användning av detta organiska system undviker problemet med fukt."

Användning av den selektiva processen skulle också kunna underlätta återvinning av ädelmetaller som används vid elektroniktillverkning. Trådbindning, metallisering och sammankopplingsprocesser använder för närvarande ädelmetaller.

Ädelmetaller är också grunden för mycket använda kemoterapimedel, men kemin för att syntetisera dem involverar en komplex process av ytaktiva ämnen och prekursorer. Wong tror att den nya Georgia Tech lösningsmedelsprocessen kan möjliggöra skapandet av nya föreningar som kan erbjuda förbättrade terapeutiska effekter.

"Vi hoppas att detta kommer att öppna upp några nya sätt att göra dessa viktiga farmaceutiska föreningar såväl som nya katalytiska system för guld och palladium, " han sa.

Lin upptäckte det nya lösningsmedelssystemet av en slump 2007 när han använde tionylklorid i ett icke-relaterat projekt som involverade bindning av kolnanorör till ett guldsubstrat. "Jag lämnade mitt prov i lösningen och gick på lunch, ", återkallade han. "Då fick jag ett par telefonsamtal och provet stannade i lösningen för länge. När jag fick ut den, guldet var borta."

Forskarna var fascinerade av upptäckten och sökte en förklaring eftersom de hade tid under de senaste tre åren. De testade andra reagens blandade med tionylkloriden, och lärde sig de proportioner som krävs för selektiv upplösning av palladium och guld. De arbetade med andra forskare vid Georgia Tech, inklusive nanoteknikpionjären Zhong Lin Wang, att utveckla en grundläggande förståelse för processen – forskning som fortsätter.

Kemikalierna som används av Georgia Techs forskargrupp är välkända inom organisk kemi, och används idag vid polymersyntes. Utöver deras selektivitet, det nya lösningsmedelssystemet är mer miljövänligt än traditionellt aqua regia – som är en kombination av koncentrerad salpetersyra och saltsyra – och kan fungera under milda förhållanden. Potentiella nackdelar jämfört med traditionell aqua regia inkluderar högre kostnader och långsammare upplösningshastigheter.

"Vi har öppnat ett nytt förhållningssätt till ädelmetaller med hjälp av organisk kemi, ", tillade Wong. "Vi förstår ännu inte riktigt med vilken mekanism detta fungerar, men vi hoppas kunna utveckla en mer fullständig förståelse som kan leda till ytterligare ansökningar."