Gli scienziati americani dei Sandia National Laboratories stanno studiando spugne selettive per purificare gli elementi delle terre rare dalle miscele acquose.
Gli elementi delle terre rare si trovano in ogni cosa: dai dispositivi smart ai magneti al neodimio, dai veicoli elettrici alle turbine eoliche. Ma la purificazione di questi metalli critici è un’operazione pericolosa che coinvolge acidi forti e solventi pericolosi. Negli ultimi tre anni, un team di ricercatori dei Sandia National Laboratories, negli Stati Uniti, ha sperimentato un metodo a basso impatto ambientale per separare gli elementi delle terre rare dalle miscele acquose.
Inizialmente il team ha creato e modificato molecole simili a giocattoli chiamate strutture metallo-organiche o MOF per testare la loro capacità di assorbire questi metalli di vitale importanza. Ha poi utilizzato simulazioni al computer ed esperimenti basati sui raggi X per studiare come gli elementi delle terre rare interagiscono con le “spugne” sintetizzate. L’obiettivo finale del team è progettare spugne che assorbano selettivamente un metallo delle terre rare escludendone altri.
“Abbiamo sintetizzato MOF con chimica superficiale variabile e siamo stati in grado di dimostrare attraverso esperimenti di adsorbimento che questi MOF possono individuare elementi delle terre rare da una miscela di altri metalli. Abbiamo dimostrato che la loro capacità di individuare i metalli può essere perfezionata aggiungendo gruppi chimici sulle loro superfici” afferma Anastasia Ilgen, geochimica responsabile del progetto.
Sintetizzare spugne stabili
Le strutture metallo-organiche sono costituite da “mozzi” metallici e “aste” di collegamento a base di carbonio, che possono essere scambiate per creare “spugne” nanometriche con proprietà diverse. Inoltre gli scienziati possono aggiungere diversi gruppi chimici all’interno dei MOF per modificarne le proprietà o progettare strutture con bastoncini mancanti
Nel loro studio, pubblicato sulla rivista scientifica Chemical Communications, i ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno sperimentato due tipi di MOF con mozzi in zirconio. Hanno attaccato nuovi gruppi chimici ai linker in un elemento costitutivo MOF mentre li collegavano al mozzo metallico in un altro.
“Stiamo esaminando la progettazione di nuovi materiali, combinando le conoscenze che abbiamo acquisito su questi due sistemi di materiali, per adattare intenzionalmente la selettività di adsorbimento per ciascun metallo di interesse” continua la ricercatrice Dorina Sava Gallis.
Illuminazione a raggi X e sviluppi successivi
Per vedere esattamente come i metalli delle terre rare interagiscono con le strutture metallo-organiche, IIgen, la responsabile del progetto dei Laboratori Sandia, ha impiegato la spettroscopia a raggi X osservando che l’elemento delle terre rare si lega chimicamente al mozzo metallico nei MOF di zirconio e di cromo. Nel MOF con un gruppo superficiale fosfonato, i metalli delle terre rare si legano al fosfonato invece che al mozzo metallico.
Forte della sua vasta conoscenza delle interazioni degli elementi delle terre rare con i MOF, il team dei Sandia National Laboratories ora si ritrova numerose opzioni per progettare spugne selettive: “Esistono diverse possibili strategie di progettazione per MOF ionoselettivi, in particolare per separare i singoli elementi delle terre rare gli uni dagli altri. Una strategia prevede la messa a punto della chimica del nucleo metallico, incorporando potenzialmente più tipi di metalli per ottimizzare il sito di legame per una specifica terra rara. Un’altra strategia si concentra sulla chimica dei gruppi superficiali, dove i gruppi superficiali forti competono con i centri metallici, creando tasche ioniche specifiche associate ai gruppi superficiali. Infine, le dimensioni dei pori del MOF stesso possono essere regolate, poiché i pori nanometrici alterano la chimica locale per favorire elementi specifici” conclude IIgen.
Il progetto è stato finanziato dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia.
