新技术探测液—液界面化学过程

研究人员揭示了溶剂萃取钴时液—液界面难以捉摸的化学过程。图片来源：Michelle Lehman/ORNL, U.S. Dept. of Energy

美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）研究人员捕捉到的实时测量数据，为回收钴的化学分离提供了新视角。钴是一种用于现代电池和磁铁的关键原材料。近日，发表在《ACS应用材料和界面》上的研究结果，揭示了从含有相似物质混合物的溶液中获取钴的分子动力学机制。

“理解分离元素所需的分子事件是优化或创造新的、量身定制材料回收技术的关键。”ORNL化学科学部的Ben Doughty说。这项研究调查了溶剂萃取的基本化学原理。溶剂萃取是一种用油和水分离元素的方法。

当搅拌时，油水溶液会自动分离成不同的层。这可以用来将溶解在一种液相中的目标材料转移到另一种液相中，从而使钴等特定元素从混合物中分离出来。“关键在于，你需要在这些液层间的界面上有分子，能够有选择地与你想要提取的物质结合。但是人们尚未充分理解表面上发生的复杂化学变化。”Doughty说。

数十年来，由于探测油与水交汇的液—液界面的难度很大，研究人员一直无法深入了解导致钴和其他物质分离的化学反应。“这个界面本质上是油水间的‘看门人’，促进萃取的化学键在这里形成或破坏。要对分离过程进行微调，也需要实时了解该接口上发生了什么。”Doughty说。

基于之前的聚合物研究，该团队研究了配体二（2-乙基己基）磷酸（DEHPA），这是一种工业标准的萃取剂，可以选择性地与钴离子结合在类似的金属上，比如镍，后者通常在溶液中自然地伴随着钴。

研究人员将溶解在油中的DEHPA引入有钴和无钴的水基溶液中，然后使用一种超快脉冲激光技术进行探测，从而了解在液—液界面发生的反应。这项技术与其他实验方法的不同之处在于它能够追踪界面的动力学。研究人员还观察了pH值范围对DEHPA的影响，了解是什么导致了钴提取的最佳点。

油基配体与水相互作用形成聚集物或分子群，在萃取过程中发挥重要作用。它们的工作是绑定和运输钴，但需要正确的大小和结构，以有效地工作。研究小组发现氢键会影响这些聚集体的排列，并且对pH值的变化很敏感。

“我们的发现强调了氢键在开发新的提取方法中的重要作用。此外，我们观察到，本体溶液的pH值会影响氢键，并可能通过调整液—液界面达到最佳性能。”Doughty说。