美国科学家发现新分子，有望彻底改变从电子垃圾中回收黄金的方式

从废弃手机、电脑主板到堆积如山的矿业尾料,人类每年都在制造着数量惊人的"电子垃圾金矿"。然而,要从这些垃圾中真正提炼出黄金、铂金等贵重金属,长期以来都离不开大量化学试剂的助力,这一过程既昂贵又充满污染隐患。

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槽分校的研究团队,近日在这一传统提炼路径上取得了一项颠覆性突破。他们设计出一种全新分子,能够让电流直接替代绝大部分化学试剂,完成金属提取的全过程,相关成果发表于《ACS能源快报》。

苏教授团队研发了一种新型的氧化还原萃取剂协同设计，该设计结合了选择性、离子导电性和可逆性，从而实现了一种简化的直接电离金属分离方法。图片来源：苏晓

这项研究由该校化学与生物分子工程系教授苏晓领衔完成,其技术根基可追溯至该团队2024年提出的一项创新——一种被称为电化学介导液液萃取的连续工艺,简称e-LLE。

那套早期系统已经证明,电流能够替代液液萃取过程中通常所需的大量酸碱试剂,而液液萃取正是分离与提纯金属最常用的一种工业技术手段。但即便如此,完成整个提取循环仍然离不开额外化学试剂的补充配合。

此次研究的核心突破,在于彻底消除了这最后一道化学依赖。研究团队重新设计了萃取分子本身,使其兼具三种关键功能——能够选择性地结合金属离子,自身携带永久性电荷,并能够稳定溶解于萃取过程所使用的有机相之中。

由于这种分子本身就带有电荷,电流便可以直接对其进行操控,不再需要中间化学试剂作为传导媒介。论文合著者、博士后研究员黛博拉·施密特解释道,这种新分子内置的永久电荷本身充当了电解质角色,使溶液具备导电能力,这正是氧化还原反应能够由电流而非化学物质驱动的关键所在。

苏晓教授将这一成果概括为团队长期以来的一个心愿终于实现。他说,团队为分子充上电荷,让它结合金属,再将其转移进有机相,随后电流便可将金属重新释放出来,整套流程如今终于能够按照他们最初设想的方式真正运转起来。

这种直接电气化的处理方式,带来的最直观效果,是化学试剂消耗量整整下降了一到两个数量级,整个提取循环也因此变得更为简洁高效。用电流取代中间试剂,这一系统在理论上能够同时降低化学废弃物的产生量与整体能耗水平。

在实验室测试环节,研究团队利用这种新分子,成功从电子废弃物浸出液中选择性地回收出黄金——所谓浸出液,是指将废弃电子设备中的贵重金属溶解出来后所形成的溶液。黄金在此次实验中只是最初的验证对象,团队更长远的目标,是借此建立起一套通用的分子设计原则,以指导未来针对其他分离难题开发出具备电活性的萃取分子。

阿德里伊克·阿古达（左）和黛博拉·施密特是这篇论文的共同作者，苏也是作者之一。图片来源：伊利诺伊大学

论文合著者、研究生阿德里叶克·阿古达指出,这套系统完全具备被改造用于选择性回收多种不同贵重金属的潜力,例如从报废汽车催化转化器中提取铂族金属,甚至有望应用于从矿山尾矿或其他复杂原料中提取一系列其他关键元素。她特别强调,由于整套电化学平台本身基本保持不变,只需针对不同应用场景,对萃取分子的化学结构进行相应调整,便可实现对不同目标金属的精准萃取。

苏晓教授将这项工作的意义概括为一次底层原理层面的解锁——它揭示了应当如何从根本上思考并设计这类电驱动分离系统。研究团队目前正着手开发更多种类的分子设计方案,并积极寻求与计算建模及人工智能领域的合作,希望借助这些工具加速新型萃取分子的筛选与发现进程。

在当前全球供应链日益关注关键矿产资源保障的大背景下,苏晓教授表示,这项研究让他真正感到振奋的地方,在于它进一步证明了电化学技术完全有能力提供一种可规模化、且几乎不产生废弃物的分离方案。这或许意味着,人类回收利用金属资源的方式,正朝着更清洁、更彻底电气化的方向,迈出了实实在在的一步。