2026 年 10 月 22 日
来源：赖斯大学
支撑电动汽车、风力涡轮机及医疗成像设备等先进技术的稀土元素，可能正隐藏在一种意想不到的资源中：工业废水。
莱斯大学的研究团队开发出一种新型多孔材料，能够从复杂的废物流中提取多种高价值的稀土元素。相关研究成果已发表在《ACS 应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）期刊上。
该技术基于金属有机框架（MOFs），这是一种由金属节点和有机配体构建的具有异常多孔结构的材料，曾获得诺贝尔化学奖关注。研究人员通过修饰 MOF 的内部表面，使其能够优先吸附特定的稀土离子。这三种目标稀土元素对于制造高性能磁铁及其他关键技术至关重要。
该研究作者之一指出：“稀土元素对我们依赖的许多技术至关重要，但其供应链在地理分布上高度集中。”他补充道：“我们不应仅将工业废水视为需要处理的污染物，而应将其视为含有有价值物质的资源，值得进行回收。”
利用多孔材料捕获稀有金属
稀土元素因其独特的磁性和电子特性，在永磁体、航空航天及医疗保健等领域难以被替代。例如，钕（Nd）、镝（Dy）等元素广泛用于电动汽车、风力涡轮机和无人机中的强力永磁电机。
然而，从工业废水中分离微量稀土元素极具挑战性，因为废水中通常含有浓度远高于稀土的其他金属杂质。
为解决这一难题，研究人员选用了一种名为 MIL-101 的水稳定型 MOF 作为基础材料，并使用亚氨基二膦酸（PMIDA）分子对其进行改性。在 MOF 的纳米孔隙中，PMIDA 充当化学“钩子”，与带正电荷的稀土离子形成强键合。
团队通过调整添加至 MOF 中的 PMIDA 数量，探究结合位点密度对材料性能的影响。实验数据与计算机模拟相结合，使研究人员能够深入观察稀土离子与 PMIDA 分子在孔隙内的排列方式。
高密度结合位点增强捕获能力
结果显示了一个关键的设计原则：增加 PMIDA 负载量并非简单线性地提升容量，而是通过提高配体密度，使多个结合基团围绕单个稀土离子进行协调，从而在孔隙内形成更强、更稳定的化学复合物。模拟证实，随着 PMIDA 负载量的增加，这些复合物的结构更加有序。
该研究的第一作者、赖斯大学博士后研究员 Yiming Liu（现任职于南达科他州立大学环境工程系助理教授）表示：“特别有趣的是，我们不仅验证了材料捕获稀土的能力，还通过实验与分子模拟的结合，观察到连接体数量的变化如何改变离子的保持机制。”
在最高 PMIDA 负载测试条件下，该材料每克可捕获高达 160 毫克的钕（Nd）、175 毫克的镝（Dy）和 195 毫克的镨（Pr）。这些吸附容量至少是此前报道的同类水稳定 MOF 在相同条件下值的两倍。
选择性抗干扰能力强
另一项令人鼓舞的发现是该材料在含铁工业废物中的表现。即使铁的浓度是稀土元素的 100 倍，其对稀土吸附的影响也微乎其微。在一项测试中，稀土的吸收量仅比无铁环境下的吸收量低 0.3%。
这种高选择性至关重要，因为实用的回收技术必须能够在大量非目标材料（如铁）存在的情况下，精准提取相对稀缺的目标元素。
此外，研究人员发现，大多数被捕获的稀土元素可以通过稀释盐酸从 MOF 中洗脱出来。这不仅实现了有价值金属的收集，也为材料的重复使用提供了可能。
尽管该技术仍需进一步完善，未来的研究将聚焦于提高选择性，以便 MOF 在释放捕获元素的同时保持耐用性、再生能力和连接稳定性。但总体而言，工程化 MOF 为目前用于稀土捕获的液-液溶剂萃取法提供了一种更具可持续性的替代方案。
参考文献：
Yiming Liu 等人，《通过有机膦酸盐-金属有机框架改性实现稀土元素的水性吸附：酸负荷在表面络合中的作用》，ACS Applied Materials & Interfaces (2026)。DOI: 10.1021/acsami.6c16452
