东北师范大学朱广山课题组在分子印迹多孔材料的创制与稀土元素钪（Sc）高效提取方面取得新进展

来源：东北师范大学 2023-08-28

导读：近期，东北师范大学化学学院朱广山教授课题组合成了一种三个羧酸与钪离子的配合物，其立体构型与多孔骨架材料的次级结构单元完全一致，采用同构替换的方法将离子配合物固载到多孔骨架材料上，洗脱掉配位离子之后就得到了钪离子印迹多孔材料（如图）。协同配位热力学和水合离子动力学的差异，实现了专一性的钪金属离子吸附。

图说：将配位键制备的钪金属配合物与共价键链接的分子结构片段进行按比例替换，洗脱掉钪离子模板后制得分子印迹共价有机多孔材料。

钪是稀土金属之一，被美国和俄罗斯等认为是一种重要的“战略（strategic）”和“关键（critical）”金属元素，其在超导、合金、激光、核能和航空航天等高技术领域具有巨大的应用价值。然而，在自然界中不存在单一的钪矿资源，其主要作为铁、镉、铝、镧系和其他矿石加工过程中的副产品。从母体矿石中分离出钪的过程非常复杂，包括：预处理、酸浸、萃取、洗涤、反萃、精提等多个步骤，其提取和加工所需的能量约为97GJ/kg，比其他镧系元素高两个数量级。上述问题导致国际钪价居高不下，价格最高时约为黄金市价的10倍，严重限制了钪金属相关产业的发展。在过去的十年中，众多科研工作者致力于开发新方法和新材料来选择性地、高效地、可持续地提取钪元素。

朱广山教授课题组常年从事多孔材料的设计研究，在配位键连接的金属有机框架材料和共价键连接的多孔芳香骨架材料方面取得了系列进展，制备了数百中金属有机框架材料和多孔芳香骨架材料。经过系统的研究，课题组发现配位键键能在60-350 kJ mol-1范围内，在强酸/强碱溶液中会发生解离；而共价键的键能在300-600 kJ mol-1范围内，在强酸/强碱环境下能够稳定存在。上述差异为在共价键连接的有机多孔材料框架内进行配位键诱导的裁剪和结合提供了理论基础。

朱广山教授课题组制备的离子印迹有机骨架，将共价键和配位键的特点和优势进行结合，针对钪离子，展现出优异的离子选择性（选择系数 > 1.1×102）吸附能力，首次揭示了分子印迹技术在多孔骨架内部的作用机制，为创制新型多孔材料提供了理论指导，使低成本提取金属钪成为可能。相关成果以“Selective scandium ion capture through coordination templating in a covalent organic framework（配位模板策略构建共价有机框架用于选择性钪离子捕获）”为题发表在国际学术期刊《Nature Chemistry （自然化学）》上，元野教授和杨亚杰博士为第一作者，Jeffrey R. Long和朱广山教授为通讯作者，东北师范大学为第一通讯单位。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01273-3

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来源：东北师范大学 2023-08-28