科学家开发出创新方法分离对清洁能源技术至关重要的镧系元素

科学家开发出创新方法分离对清洁能源技术至关重要的镧系元素水溶性和油溶性有机分子能有效分离元素周期表中的镧系元素。资料来源：橡树岭国家实验室镧系元素与清洁能源被称为镧系元素的金属具有宝贵的特性，可用于电动汽车和风力涡轮机等清洁能源技术以及许多其他应用。这些元素包括几种关键材料。在自然界中，镧系元素经常混合在一起。工业界必须将它们分离出来，以利用它们各自的特性。但传统的分离方法耗时长、成本高，而且会产生废弃物。现在，科学家们已经开发出一种高效的新方法，可以根据具体情况选择特定的镧系元素。该技术结合了两种物质。一种物质喜水，可捕捉较轻的镧系元素；另一种物质喜油，可捕捉较重的镧系元素。分离技术的创新将一种亲油化合物和一种亲水化合物混合在一起，从化学混合物中提取特定的有价值元素，这在工业规模上是可行的。扩大规模后，该工艺可以使用更小的设备、更少的化学品和更少的废物。这将使新工艺比传统方法更高效、更环保。稀土材料加工取得突破为清洁能源技术制造纯稀土材料--14种镧系元素以及钇和钪--最具挑战性和最昂贵的方面是将单个稀土元素相互分离。橡树岭国家实验室的科学家将两种有机物结合在一起：一种亲水，另一种亲油。这些有机物对不同的稀土元素有偏好。例如，一种与较轻的稀土元素相互作用强烈，而另一种则偏爱较重的稀土元素。科学家们用两种不同的液体--油和水--来测试这种技术。在水中，他们溶解了亲水性物质；在油中，他们加入了亲油性物质。他们发现，与之前使用的单物质方法相比，双物质方法有助于分离最轻和最重的稀土元素。他们使用各种方法研究这些有机化学物质和稀土元素如何相互作用。研究结果提供了有关该过程如何工作的宝贵信息，以及有关如何进一步改进分离系统的真知灼见。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426802.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426802.htm

石墨烯研究的最新进展有助于廉价、可持续地生产氢气

石墨烯研究的最新进展有助于廉价、可持续地生产氢气这一科学传奇始于十年前，当时曼彻斯特大学的科学家证明了石墨烯对氢原子核质子的渗透性。这一发现出乎意料，与理论预测相悖，理论预测认为质子需要数十亿年才能穿过石墨烯致密的晶体结构。由于这种差异，有一种理论认为质子可能是通过石墨烯结构中的小孔（或针孔）而不是晶格本身渗透的。石墨烯是以二维蜂巢晶格排列的单层碳原子。石墨烯以其卓越的强度、导电性和超薄性而闻名，是科学和技术领域最有前途的多功能材料之一。最近，由PatrickUnwin教授领导的华威大学和由MarceloLozada-Hidalgo博士和AndreGeim教授领导的曼彻斯特大学联合在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。通过超高空间分辨率测量，他们最终证明了完美的石墨烯晶体确实允许质子传输。令人惊讶的是，他们还发现质子在石墨烯晶体中存在的纳米级皱纹和波纹周围被强烈加速。质子在二维晶体中传输的意外不均匀性。资料来源：《自然》/DOI:10.1038/s41586-023-06247-6对氢经济的影响这一突破性发现对氢经济具有重大意义。目前生成和使用氢气的机制通常依赖于昂贵的催化剂和薄膜，其中一些对环境有显著影响。用石墨烯等可持续二维晶体取代这些材料，可在推进绿色制氢、减少碳排放和帮助实现净零碳环境方面发挥关键作用。为了得出结论，研究人员采用了扫描电化学电池显微镜（SECCM）。这项技术使他们能够测量纳米级区域的微小质子电流，让研究人员能够直观地看到质子电流通过石墨烯膜的空间分布。如果质子运动仅限于石墨烯上的孔，那么电流就会被隔离在特定的点上。然而，并没有观察到这种集中的电流，从而推翻了关于石墨烯结构中存在孔洞的理论。研究人员的评论和观察该研究的主要作者SegunWahab博士和EnricoDaviddi博士对石墨烯晶体中没有缺陷表示惊讶，他们说："我们惊讶地发现石墨烯晶体中完全没有缺陷。我们的研究结果从微观上证明了石墨烯对质子具有内在的渗透性"。意想不到的是，质子电流在晶体纳米级皱纹周围被加速。科学家们发现，这是因为皱纹有效地"拉伸"了石墨烯晶格，从而为质子渗透原始晶格提供了更大的空间。现在，这一观察结果使实验与理论相吻合。洛萨达-伊达尔戈博士说："我们实际上是在拉伸原子尺度的网格，并观察到更大的电流通过网格中被拉伸的原子间空间--这确实令人匪夷所思"。Unwin教授评论道："这些结果展示了我们实验室开发的SECCM是一种从微观角度深入了解电化学界面的强大技术，它为设计涉及质子的下一代膜和分离器开辟了令人兴奋的可能性。"研究小组对这一发现如何为新型氢技术铺平道路持乐观态度。Lozada-Hidalgo博士说："利用二维晶体中波纹和褶皱的催化活性是加速离子传输和化学反应的一种全新方法。这可能导致氢相关技术的低成本催化剂的开发。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379509.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379509.htm

蛋壳已被确定为一种可用于提取稀土元素的潜在环保材料

蛋壳已被确定为一种可用于提取稀土元素的潜在环保材料都柏林圣三一学院自然科学学院和爱尔兰科学基金会应用地球科学研究中心iCRAG的研究人员于6月4日在国际期刊ACSOmega上发表了他们的突破性研究成果。REE是电动汽车和风力涡轮机等技术中不可或缺的元素，其需求量与日俱增，但供应却相对短缺。因此，科学家们必须找到从环境中提取这些物质的新方法，而且是可持续的方法，因为目前的方法往往是有害的。在这里，研究人员发现蛋壳中的碳酸钙可以有效地从水中吸收和分离这些宝贵的稀土元素。使用高分辨率显微镜和光谱仪拍摄的合成图像，显示蛋壳中稀土元素的吸收和置换过程。资料来源：都柏林圣三一学院胡安-迭戈-罗德里格斯-布兰科教授研究人员将蛋壳放入含有稀土的溶液中，温度从25°C到205°C不等，时间长达三个月。他们发现，稀土元素可以沿着碳酸钙边界和有机基质扩散进入蛋壳，在较高温度下，稀土会在蛋壳表面形成新的矿物。在90°C的温度下，蛋壳表面有助于恢复一种名为Kozoite的稀土化合物的形成。随着温度升高，蛋壳发生了彻底转变，碳酸钙外壳溶解，取而代之的是多晶Kozoite。在205°C的最高温度下，这种矿物逐渐转变为基性碳酸盐岩，这是一种稳定的稀土碳酸盐矿物，被工业界用来提取稀土，用于技术应用。这种创新方法表明，废弃蛋壳可以作为一种低成本、环保型材料重新利用，帮助满足对REES不断增长的需求，因为蛋壳会随着时间的推移在其结构中捕获独特的稀土。主要作者RemiRateau博士在谈到这项研究的意义时说："这项研究提出了一种潜在的废料创新用途，不仅为稀土元素回收问题提供了可持续的解决方案，而且符合循环经济和废物价值化原则。"首席研究员胡安-迭戈-罗德里格斯-布兰科（JuanDiegoRodriguez-Blanco）教授强调了这一研究成果的广泛意义，并补充道"通过将蛋壳废物转化为稀土回收的宝贵资源，我们解决了与传统提取方法相关的重要环境问题，并为开发更环保的技术做出了贡献"。iCRAG（爱尔兰应用地球科学研究中心）是爱尔兰科学研究院（SFI）的一个中心，致力于推进地球科学研究，重点关注可持续资源管理和环境保护。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433731.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433731.htm

日媒：中国考虑禁止部分稀土磁铁技术出口

日媒：中国考虑禁止部分稀土磁铁技术出口日本媒体报道，中国考虑禁止特定稀土磁铁技术的出口，以反击美国对华出台的科技出口限制。据《日经亚洲》星期四（4月6日）报道，中国官方计划对技术出口限制清单进行修订。修订内容将禁止或限制加工和提炼稀土元素的技术出口，同时也建议禁止或限制从稀土中提取高性能磁铁所需合金技术的出口。中国商务部和科技部去年12月即公布清单草案，其中包含了43项修正或补充内容。当局已完成公开征求专家意见的工作，预计这些修订内容将在今年生效。中国上次修订清单内容是在2020年。高性能磁铁的应用范围很广，例如电动汽车的马达。2010年，中国因钓鱼岛（日本称尖阁诸岛）主权争议暂停向日本出口稀土。日本专精于生产高性能磁铁，而美国则生产使用这些磁铁的产品。这一事件引起了美日两国在经济安全方面的警觉。此后，华盛顿在美国本土建立了一条稀土供应链。根据美国地质调查局的数据，中国在全球稀土产量的份额已从10年前的约90%下降至去年的约70%。一名资源领域的人士说，由于中国在先进半导体方面处于落后地位，“他们很可能将稀土当作谈判的筹码，因为稀土是日本和美国的弱点”。

有关稀土元素钷的新发现将改写化学教科书

有关稀土元素钷的新发现将改写化学教科书概念图展示了小瓶中的稀土元素钷，周围环绕着有机配体。ORNL科学家发现了钷的隐藏特征，为研究其他镧系元素开辟了道路。图片来源：JacquelynDeMink，艺术；ThomasDyke，摄影；ORNL，美国能源部钷于1945年在克林顿实验室（即现在的美国能源部橡树岭国家实验室）被发现，并一直在橡树岭国家实验室进行微量生产。尽管稀土元素被用于医学研究和长寿命核电池，但它的一些特性仍然难以捉摸。它以神话中的泰坦命名，泰坦将火传递给人类，其名字象征着人类的奋斗。美国国家实验室的突破性研究共同领导这项研究的ORNL科学家亚历克斯-伊万诺夫（AlexIvanov）说："整个想法就是探索这种非常罕见的元素，以获得新的知识。意识到这是在这个国家实验室和我们工作的地方发现的，我们就觉得有义务进行这项研究，以维护ORNL的传统"。由ORNL领导的科学家团队制备了一种钷的化学复合物，从而首次在溶液中描述了钷的特性。因此，他们通过一系列细致的实验揭开了这种原子序数为61的极其罕见镧系元素的秘密。这项具有里程碑意义的研究于5月22日发表在《自然》杂志上，标志着稀土研究取得了重大进展，并有可能改写化学教科书。左起：亚历克斯-伊万诺夫（AlexIvanov）、桑塔-扬松-波波娃（SantaJansone-Popova）和伊尔亚-波波夫斯（IljaPopovs），均来自美国国家实验室。图片来源：CarlosJones/ORNL，美国能源部镧系元素的特性共同领导这项研究的ORNL的IljaPopovs说："由于没有稳定的同位素，钷是最后发现的镧系元素，也是最难研究的镧系元素。大多数稀土元素都是镧系元素，即元素周期表上从57（镧）到71（镥）的元素。它们具有相似的化学性质，但大小不同。"人们对其他14种镧系元素都很了解。它们是具有有用特性的金属，在许多现代技术中不可或缺。它们是激光器、风力涡轮机和电动汽车中的永久磁铁、X射线屏幕甚至抗癌药物等应用的主力军。"数以千计的关于镧系元素化学的出版物中都没有钷。这对所有科学来说都是一个明显的空白，"ORNL的SantaJansone-Popova说，她是这项研究的共同负责人。"科学家们不得不假设钷的大部分特性。现在我们可以实际测量其中的一些特性了。"左起：RichardMayes、FrankieWhite、AprilMiller、MattSilveira和ThomasDyke。图片来源：CarlosJones/ORNL，美国能源部独特的研究能力这项研究依赖于能源部国家实验室的独特资源和专业知识。作者利用研究反应堆、热电池和超级计算机，以及18位科学家在不同领域积累的知识和技能，详细描述了对溶液中钷复合物的首次观测。ORNL的科学家将放射性钷与称为二甘醇酰胺配体的特殊有机分子结合或螯合。然后，他们利用X射线光谱测定了络合物的性质，包括钷与邻近原子的化学键长度--这是科学界的创举，也是元素周期表中长期缺失的部分。钷非常稀有，在任何时候，地壳中自然存在的钷只有一磅左右。与其他稀土元素不同，由于钷没有稳定的同位素，因此只能获得微量的合成钷。在这项研究中，ORNL小组生产了半衰期为2.62年的同位素钷-147，其数量和纯度足以研究其化学特性。ORNL是美国唯一的钷-147生产商。站在ORNL放射化学工程开发中心前的钷研究小组成员，从左至右依次为：SantanuRoy、ThomasDyke、IljaPopovs、RichardMayes、DarrenDriscoll、FrankieWhite、AlexIvanov、AprilMiller、SubhamayPramanik、SantaJansone-Popova、SandraDavern、MattSilveira、ShelleyVanCleve和JeffreyEinkauf。资料来源：CarlosJones/ORNL,美国能源部值得注意的是，研究小组首次展示了整个镧系元素在溶液中的镧系收缩特征，包括原子序数为61的钷。镧系元素收缩是指原子序数在57到71之间的元素比预期的要小。随着这些镧系元素原子序数的增加，其离子半径也随之减小。这种收缩产生了独特的化学和电子特性，因为相同的电荷被限制在一个不断缩小的空间内。ORNL的科学家们得到了一个清晰的钷信号，这使他们能够更好地确定整个系列的趋势形状。伊万诺夫说："从科学的角度来看，这确实令人震惊。当我们获得所有数据后，我感到非常震惊。这种化学键的收缩在原子序列中是加速的，但在钷之后，这种收缩就大大减慢了。这是了解这些元素的化学键特性及其在元素周期表中的结构变化的一个重要里程碑。"其中许多元素，如镧系元素和锕系元素的应用范围很广，从癌症诊断和治疗到可再生能源技术和用于深空探测的长寿命核电池。对技术和科学的影响扬松-波波娃表示，这一成果将减轻分离这些宝贵元素的工作难度。长期以来，研究小组一直致力于全系列镧系元素的分离，"但钷是最后一块拼图。这相当具有挑战性，"她说。"现代先进技术无法将所有这些镧系元素作为混合物使用，因为首先需要将它们分离。这就是收缩变得非常重要的地方；它基本上使我们能够分离它们，而这仍然是一项相当困难的任务。"研究小组在该项目中使用了能源部的多个主要设施。在ORNL，钷在高通量同位素反应堆（能源部科学办公室的用户设施）合成，并在放射化学工程开发中心（多用途放射化学处理和研究设施）纯化。然后，研究小组在位于能源部布鲁克海文国家实验室的能源部科学办公室用户设施--国家同步辐射光源II进行了X射线吸收光谱分析，特别是在由美国国家标准与技术研究院资助和运营的材料测量光束线工作。研究小组还在橡树岭领先计算设施（OakRidgeLeadershipComputingFacility）进行了量子化学计算和分子动力学模拟，该设施是能源部科学办公室在ORNL的用户设施，使用的是实验室的Summit超级计算机，这是当时唯一能够提供必要计算的计算资源。此外，研究人员还使用了ORNL科学计算和数据环境的资源。他们预计未来的计算将在ORNL的Frontier超级计算机上进行，这是世界上最强大的超级计算机，也是第一个超大规模系统，每秒能进行超过五万亿次计算。波波夫斯强调说，ORNL领导取得的成就归功于团队合作。他说，《自然》杂志论文的18位作者中的每一位都对项目至关重要。科学家们说，这项成果为研究的新时代奠定了基础。波波夫斯说："任何我们称之为现代技术奇迹的东西，都会或多或少地包含这些稀土元素。我们正在添加缺失的环节。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432197.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432197.htm

石墨烯神奇之处始于平坦：质子渗透性之谜迎刃而解

石墨烯神奇之处始于平坦：质子渗透性之谜迎刃而解十年前，曼彻斯特大学的科学家们惊奇地发现，石墨烯对质子（氢原子的原子核）具有渗透性。这一意想不到的结果引起了科学界的争论，因为根据已有的理论预测，质子需要数十亿年才能穿过石墨烯密集的晶体结构。因此，有理论认为，质子可能是通过石墨烯上的微小针孔而不是晶格穿越的。今天（8月23日），《自然》杂志报道了质子在石墨烯中传输的超高空间分辨率测量结果，证明完美的石墨烯晶体对质子具有渗透性。令人意想不到的是，质子在晶体的纳米级皱纹和波纹周围被强烈加速。这项研究由PatrickUnwin教授领导的华威大学和MarceloLozada-Hidalgo博士及AndreGeim教授领导的曼彻斯特大学合作完成。这一发现有望加速氢经济的发展。目前用于生成和利用氢气的昂贵催化剂和薄膜有时会对环境造成严重影响，而更可持续的二维晶体可以取代这些催化剂和薄膜，从而减少碳排放，并通过生成绿色氢气实现净零排放。研究小组使用了一种称为扫描电化学细胞显微镜（SECCM）的技术来测量从纳米级区域收集到的微小质子电流。这样，研究人员就能直观地看到质子电流通过石墨烯膜的空间分布。如果质子传输像一些科学家推测的那样是通过孔洞进行的，那么电流就会集中在几个孤立的点上。结果没有发现这样的孤立点，这就排除了石墨烯膜中存在孔洞的可能性。论文的主要作者SegunWahab博士和EnricoDaviddi博士评论说："我们惊讶地发现石墨烯晶体中完全没有缺陷。我们的研究结果提供了石墨烯本质上可渗透质子的微观证明。"意想不到的是，质子电流在晶体纳米级皱纹周围被加速。科学家们发现，这是因为皱纹有效地"拉伸"了石墨烯晶格，从而为质子渗透原始晶格提供了更大的空间。现在，这一观察结果使实验与理论相吻合。洛萨达-伊达尔戈博士说："我们实际上是在拉伸一个原子尺度的网格，并观察到更大的电流通过这个网格中被拉伸的原子间空间，这真是令人难以置信。"Unwin教授评论道："这些结果展示了我们实验室开发的SECCM是一种从微观角度深入了解电化学界面的强大技术，它为设计涉及质子的下一代膜和分离器开辟了令人兴奋的可能性。"作者们对这一发现在实现基于氢的新技术方面的潜力感到非常兴奋。Lozada-Hidalgo博士说："利用二维晶体中波纹和皱纹的催化活性，是加速离子传输和化学反应的一种全新方法。这可能导致氢相关技术的低成本催化剂的开发。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379057.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379057.htm