DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45810-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38378705
تاريخ النشر: 2024-02-20
المؤلف: Qinghua Hu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأطر العضوية المعدنية: التركيب والتطبيقات
طرق
في هذه الدراسة، تشمل المواد المستخدمة 4،4-di(4H-1،2،4-triazol-4-yl)-1،1-biphenyl (DTB) وحمض التريميزيك (BTC)، المستمدة من أكاديمية العلوم الصينية في جيلين – شركة يانشن للتكنولوجيا المحدودة. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على نترات الزنك سداسية الماء (Zn(NO₃)·6H₂O) ونترات اللانثانيد الثلاثية المختلفة من شركة الطاقة الكيميائية المحدودة. تم شراء المذيبات مثل الأسيتونيتريل (MeCN) والإيثانول من شركة سينوفارم للمواد الكيميائية، بينما تم إنتاج المياه فائقة النقاء باستخدام نظام ميلبوري، محققة مقاومة قدرها 18.25 MΩ cm. كانت جميع المواد الكيميائية من الدرجة التحليلية وتم استخدامها دون مزيد من التنقية، مما يضمن سلامة الإجراءات التجريبية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة واضحة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بسلوك النظام، مع معامل تحديد ($R^2$) يتجاوز 0.85، مما يدل على توافق قوي مع البيانات الملاحظة. تدعم هذه النتائج الفرضية وتوفر أساسًا قويًا لمزيد من الاستكشاف في هذا المجال من البحث.
المناقشة
تناقش البحث تخليق وخصائص الهيكلية لإطار معدني عضوي (MOF) يسمى NCU-1، الذي يتبلور في مجموعة الفضاء المعينية Pna2₁. كشفت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن NCU-1 يشكل بلورات ضخمة ذات شكل مميز، حيث يتم تنسيق كل أيون Zn²⁺ بخمسة، ويتفاعل مع اثنين من ربيطات DTB، واثنين من ربيطات BTC، وجزيء ماء واحد. يتميز الإطار بنوافذ مستطيلة قياس 9.9 Å × 5.8 Å وجيوب مربعة صغيرة بحجم 3.2 Å، مما يسهل الالتقاط الانتقائي لعناصر الأرض النادرة الخفيفة (REEs). تم تأكيد نقاء المرحلة لـ NCU-1 من خلال حيود الأشعة السينية البودرة (PXRD)، وأظهر استقرارًا كيميائيًا وحراريًا ملحوظًا عبر نطاق واسع من الرقم الهيدروجيني (2 إلى 13) وحتى 320 درجة مئوية، على التوالي.
أشارت دراسات الامتزاز إلى أن NCU-1 يظهر قدرة عالية على مختلف أيونات REE، حيث تتجاوز السعات القصوى لـ Pr³⁺ وNd³⁺ وغيرها بشكل كبير تلك الخاصة بالمواد الممتزة الموجودة. كانت حركيات الامتزاز سريعة، حيث تم تحقيق التوازن في غضون ساعة واحدة، وأظهر المادة قابلية ممتازة لإعادة التدوير عبر دورات متعددة. كشفت اختبارات الانتقائية أن NCU-1 لديه معامل توزيع (K_d) لأيونات REE أعلى بعدة مرات من الأيونات المتنافسة، خاصة عند الرقم الهيدروجيني 4.5. تسهل الميزات الهيكلية الفريدة للإطار، بما في ذلك مجموعات الكربوكسيل غير المنسقة وذرات النيتروجين في الترايازول، التفاعلات القوية مع أيونات REE، مما يعزز إمكانيته للفصل الفعال من مخلفات المناجم. بشكل عام، يمثل NCU-1 مرشحًا واعدًا لاستعادة وتنقية REEs بكفاءة، مما يعالج التحديات في مجال استعادة الموارد من تيارات النفايات المعقدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45810-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38378705
Publication Date: 2024-02-20
Author(s): Qinghua Hu et al.
Primary Topic: Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications
Methods
In this study, the materials utilized include 4,4-di(4H-1,2,4-triazol-4-yl)-1,1-biphenyl (DTB) and trimesic acid (BTC), sourced from Jilin Chinese Academy of Sciences-Yanshen Technology Co., Ltd. Additionally, zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO₃)·6H₂O) and various trivalent lanthanide nitrates were obtained from Energy Chemical Co., Ltd. Solvents such as acetonitrile (MeCN) and ethanol were procured from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., while ultrapure water was generated using a Millipore system, achieving a resistivity of 18.25 MΩ cm. All reagents were of analytical grade and employed without further purification, ensuring the integrity of the experimental procedures.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the behavior of the system, with a coefficient of determination ($R^2$) exceeding 0.85, indicating a strong fit to the observed data. These findings support the hypothesis and provide a robust foundation for further exploration in this area of research.
Discussion
The research discusses the synthesis and structural characteristics of a metal-organic framework (MOF) designated as NCU-1, which crystallizes in the orthorhombic space group Pna2₁. Scanning electron microscopy (SEM) revealed that NCU-1 forms bulk crystals with a distinctive morphology, where each Zn²⁺ ion is five-coordinated, interacting with two DTB ligands, two BTC ligands, and one water molecule. The framework features rectangular windows measuring 9.9 Å × 5.8 Å and small square pockets of 3.2 Å, which are conducive to the selective capture of light rare earth elements (REEs). The phase purity of NCU-1 was confirmed through powder X-ray diffraction (PXRD), and it demonstrated remarkable chemical and thermal stability across a wide pH range (2 to 13) and up to 320 °C, respectively.
The adsorption studies indicated that NCU-1 exhibits a high capacity for various REE ions, with maximum capacities for Pr³⁺, Nd³⁺, and others significantly surpassing those of existing adsorbents. The kinetics of adsorption were rapid, achieving equilibrium within one hour, and the material displayed excellent recyclability over multiple cycles. Selectivity tests revealed that NCU-1 has a distribution coefficient (K_d) for REE ions that is several orders of magnitude higher than for competing ions, particularly at pH 4.5. The framework’s unique structural features, including uncoordinated carboxyl groups and triazole nitrogen atoms, facilitate strong interactions with REE ions, enhancing its potential for effective separation from mine tailings. Overall, NCU-1 represents a promising candidate for the efficient recovery and purification of REEs, addressing challenges in the field of resource recovery from complex waste streams.