Ytbrytning för sällsynta jordartsmetaller som används i smartphones och vindkraftverk är svårt och görs sällan i USA. Forskare ville veta om de kunde dra metallerna, närvarande på spårnivåer, från geotermiska saltlake med magnetiska partiklar. Partiklarna, insvept i ett molekylärt ramskal som kallas ett metallorganiskt ramverk, eller MOF, ska enkelt fånga metaller och låta resten flöda förbi. Dock, laget som leddes av Pete McGrail vid Pacific Northwest National Laboratory fann att magnetstyrkan sjönk med 70 procent efter att MOF -skalet bildades.

Användningen av MOF kan möjliggöra separering av yttrium, skandium, och andra element från saltvatten från geotermiska källor, producerat vatten från olje- och gasfält, eller avfall som flygaska. "Dessa element har många tillämpningar - petroleumraffinering, datorskärmar, magneter i vindkraftverk, "sa Praveen Thallapally, materialdesignledningen på studien. "Just nu, 99 procent av dessa sällsynta jordartsmetaller importeras till USA. "

Den grundläggande kunskap som erhållits från denna forskning visar varför denna MOF påverkade magnetstyrkan så mycket och ger insikter om metoder för att undvika dessa problem.

Forskare började med en MOF som heter Fe3O4@MIL-101-SO3. Den innehåller kromjoner förbundna med organiska ligander. Syntesprocessen bildar MOF-skalet genom en molekylär självmonteringsprocess där MOF bygger upp ett lager runt magnetitkärnpartiklarna. Forskare förväntade sig att skalet skulle ha liten inverkan på partiklarnas magnetiska styrka men fann att det sjönk med 70 procent.

"Vi ville ta reda på varför, sa Thallapally. Teorier florerade, men ingen hade tagit ihop materialen, expertis, och instrument för att definitivt bevisa vad som hände.

De använde bildfunktioner på EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory, en användaranläggning för DOE Office of Science på PNNL. Specifikt, de använde skanningselektron och transmissionselektronmikroskopi för att studera MOF -skalet. De fann att partiklarna ökade i storlek som förväntat. Detta innebar att problemet inte var magnetitpartiklarna som löste sig i vätskorna som användes under syntesen, en gemensam teori.

Nästa, de använde också 57Fe-Mössbauer-spektroskopi för att studera metallkärnans oxidationstillstånd. De hittade en större mängd oxiderat järn än förväntat. Gräver vidare med atomprobstomografi, laget fann att krom hade smugit sig inuti järnkärnorna. De fick mer information om kromoxidationstillståndet med hjälp av röntgenabsorptionsfinstrukturspektroskopi vid den avancerade ljuskällan, en användaranläggning för DOE Office of Science vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

I slutet, laget visade att kromet trängde in i porerna i järnpartiklarna och reducerades genom att fånga upp en elektron från järnet och oxidera det. Magnetitens magnetstyrka bestäms starkt av mängden järn jämfört med järn (oxiderat) järn i materialet. Järnoxidationen försämrade således de magnetiska egenskaperna. Dessa grundläggande insikter gör det möjligt för materialvetenskapliga forskare att justera MOF-kemin för att förhindra oönskade oxidationsreducerande reaktioner och bättre behålla kärnmaterialets magnetiska egenskaper.