固体状態の「原子チャネル」による希土類元素の分離

よりクリーンな希土類元素の精製ルート 著者: Sarah C.P. Williams UChicago PMEの研究者たちは、原子チャネルが希土類元素を互いに分離できることを実証しました。これは、この精製に通常使用される有毒な化学薬品を使用しません。 2026年7月21日 共有 UChicago PME | Facebookで希土類元素の精製に関するよりクリーンなルートを共有 UChicago PME | Twitterで希土類元素の精製に関するよりクリーンなルートを共有 UChicago PME | 電子メールで希土類元素の精製に関するよりクリーンなルートを共有 UChicago PME | LinkedInで希土類元素の精製に関するよりクリーンなルートを共有 元シカゴ大学プリツカー分子工学大学院の博士課程学生であるSiqi Zou氏（左）とChong Liu准教授は、UChicago PMEとノースウェスタン大学の研究者チームを率い、希土類元素を互いに分離するためのよりクリーンな方法を開発しました。これは技術製造に影響を与える可能性があります。（写真提供: John Zich） ランタン、ネオジム、ジスプロシウムなどの希土類元素は、あなたの車の電気モーター、家のLEDライト、医師の診察室のMRI装置の製造に使用されています。しかし、それらはまず採掘され、互いに分離されなければなりません。歴史的に、その精製は困難でコストのかかるプロセスであり、大量の有毒化学薬品に依存していました。 現在、シカゴ大学プリツカー分子工学大学院（UChicago PME）のChong Liu准教授の研究室の研究者たちは、ノースウェスタン大学およびアルゴンヌ国立研究所の同僚と協力して、希土類元素を互いに分離するためのよりクリーンな方法を発見しました。 新しいアプローチは、層状の酸化マンガンに依存しています。これは、イオンが出入りし、希土類元素を区別するのに適切なサイズの層を持つ鉱物材料です。 「人々が電気化学的インターカレーションを使用し、構造的特性を利用して、本質的に分離が非常に困難な類似のランタニドを分離したのはこれが初めてです」と、Nature Chemical Engineeringに掲載された新しい研究のシニアオーサーであるLiu氏は述べています。「また、希土類イオンがこの材料とどのように相互作用しているか、そしてより良い選択性を得るためにそれをどのように操作できるかについての多くの新しい理解を提供したことも価値があります。」 「この種の分離は、他の希土類分離方法と競争力がありますが、有機溶媒を使用せず、水中で行われます」と、ノースウェスタン大学の化学教授であり、研究の共著者であるGeorge Schatz氏は述べています。「それは製造規模で実際に意味を持つ可能性のある違いです。」 人々が電気化学的インターカレーションを使用し、構造的特性を利用して、本質的に分離が非常に困難な類似のランタニドを分離したのはこれが初めてです。 Chong Liu氏、研究のシニアオーサー チャネルを通して元素を絞り出す スカンジウムとイットリウムを含む15のランタニド、およびスカンジウムとイットリウムを含む17の希土類元素は、単独で存在するめったにありません。それらはほとんど常に一緒に採掘され、化学的にはほぼ同一であり、各元素を区別するのはイオンサイズと酸性度のわずかな違いだけです。それらを分離するには、通常、カスタムメイドの分子と大量の酸が必要であり、酸は各元素をそれらの分子から剥ぎ取るために使用されます。 「希土類は、鉱石であれ、廃棄物ストリームであれ、常に一緒に混ざっています。それらを互いに分離することは、他のすべてからそれらを分離した後でも、2番目に非常に困難なステップです」と、新しい論文の共同筆頭著者であるUChicago PMEの大学院生Jiadong Liu氏は述べています。 Chong Liu氏と同僚は、希土類イオン間の違いの1つは、溶液に溶解したときにそれぞれを取り囲む水の殻のサイズであることを知っていました。ランタンのような軽い希土類はより大きな最初の水殻を持つのに対し、ジスプロシウムのような重い希土類はより小さな最初の殻を持っています。そのサイズの違いを利用して、Chong Liu氏の研究室は酸化マンガンを設計し、その積層された層間のギャップをわずか数個の水分子の幅にしました。次に、希土類元素の生の混合物をその中に押し込みました。このアプローチは、元素を2つのグループに分けました。より小さな水殻を持つ重いランタニドは、チャネルにより強く付着しました。より大きな殻を持つ軽いランタニドは、層を押し広げ、それらのグリップを緩めました。 分子レベルで何が起こっているのかを確認するために、UChicago PMEチームはSchatz氏の研究室と協力して、密度汎関数理論と呼ばれる方法を使用して量子力学シミュレーションを実行しました。これは、原子がどのように配置され、基本的な物理学に基づいて相互作用するかを予測します。また、アルゴンヌの科学者と協力して実験的なX線データを取得しました。 「密度汎関数理論の計算がシンクロトロンX線測定とどれほど密接に一致したかを見るのは非常にやりがいがありました」と、ノースウェスタン大学のGeorge Schatz氏の研究室で博士研究員として研究を行った共同筆頭著者Woo Cheol Jeon氏は述べています。「計算により、各希土類元素が閉じ込められたチャネル内で水和殻をどのように配置するかを、実験では直接解決できなかった、原子ごとに見ることができました。」 精製を微調整する 新しいプロセスは最も重いと最も軽い希土類を分離しましたが、最も有用な元素のいくつかは依然として分離するにはあまりにも似た挙動を示しました。精製を微調整して、類似した希土類元素のペアを区別できるようにするために、研究チームは電流を使用し、マグネシウムイオンを添加しました。マグネシウムは足場として機能し、希土類イオンがそれを拡張しようとしても、酸化マンガンのチャネルを設計された間隔に保持しました。これは「ピン留め」と呼ばれる効果です。 現在、希土類イオンは、それらが非常に類似していても、層状材料への結合に違いを示しました。 「非常に似た挙動をする元素でさえ、水分子のためにスペースを作るために材料を拡張しようとします」と、研究の共同筆頭著者であり、元UChicago PME大学院生であるSiqi Zou氏（PhD'24）は述べています。「チャネルを拡張できないようにピン留めすることで、その小さな挙動の違いを、各元素がどれだけ強く結合するかのずっと大きな違いに変えました。」 マグネシウムの添加により、ネオジムのランタンに対する濃縮率は1.6倍の違いから5.4倍の違いに跳ね上がりました。2回の精製サイクルの後、研究者は97％純粋なネオジムサンプルを得ることができました。他の希土類元素でも同様の改善が見られました。 この種の分離は、他の希土類分離方法と競争力がありますが、有機溶媒を使用せず、水中で行われます。それは製造規模で実際に意味を持つ可能性のある違いです。 George Schatz氏、ノースウェスタン大学化学教授、研究共著者 よりクリーンな未来 新しい精製方法は、希土類鉱石の処理場所についての異なる考え方につながる可能性があると研究者たちは述べています。 「現在、希土類鉱石は世界中で採掘されていますが、それらはほとんどすべて処理のために海外に送られています」と、研究共著者であるSchatz氏は述べています。「有機溶媒ではなく、水と電気だけを使用するこのような方法は、その処理がどのように、どこで行われるかを実際に変える可能性のある技術です。」 しかし、この方法はまだ工業用精製に取って代わるほどスケールアップする準備はできていません。それでも、それはより広範な設計原則を示唆しています。チャネルの幅を調整することで、たとえイオンがわずか数オングストロームしか違わない場合でも、材料がどのイオンを好むかを決定できます。Chong Liu氏の研究室は現在、このアプローチを15のランタニドのさらに多くに対してテストしており、Schatz氏は計算モデルを改良しており、ピン留め効果をより定量的に説明することを目指しています。彼はまた、この作業のために開発された同じモデリングアプローチを使用して、他の材料を研究しています。 引用: “Pinning Angstrom-size solid ionic channel for the separation of rare earth elements,” Zou et al, Nature Chemical Engineering, July 21, 2026, DOI: 10.1038/s44286-026-00418-8 共有 共有 UChicago PME | よりクリーンなルート