基于天冬氨酸功能化硅胶吸附剂的高选择性钇分离纯化技术研究

针对高纯氧化钇(Y2O3>99.999%)制备过程中镧系元素(Ln(III))与钇(Y(III))分离难题，研究人员开发了天冬氨酸衍生物功能化硅胶吸附剂(SG-Asp系列)。通过氨基烷基化修饰调控空间位阻效应，实现了Ln/Y分离因子(βLn/Y最高达7.31)的突破性提升，柱色谱系统获得99.997%超高纯Y2O3，为稀土分离提供了兼具高选择性(<60 min吸附平衡)和稳定性(5次循环保持>92%效率)的绿色解决方案。

　　

在光电材料和尖端科技领域，氧化钇(Y₂O₃)的纯度直接决定器件性能，其关键杂质含量需控制在毫克/千克级。然而钇与化学性质相似的镧系元素如同"孪生兄弟"，传统溶剂萃取法需要消耗大量酸碱试剂，离子交换工艺则存在流程冗长、有机相溶损严重等问题。更棘手的是，现有吸附材料往往面临选择性不足(分离因子β_Ln/Y<2)与机械稳定性难以兼得的矛盾，这成为制约高纯钇生产的"卡脖子"难题。

针对这一挑战，中国研究人员创新性地将生物分子天冬氨酸(Asp)的配位特性与硅胶(SG)的机械稳定性相结合，通过"分子手术"对氨基进行乙基(Et)和环戊基(CP)修饰，构建了SG-Asp、SG-Asp-Et和SG-Asp-CP三种吸附剂。研究发现这些材料不仅打破了传统羧酸类萃取剂(P507树脂)的分离极限，更通过空间位阻效应实现了对镧系元素的精准"捕获"——当pH=3时，SG-Asp-Et对镧/钇的分离因子高达7.31，是常规方法的3-7倍。这种"分子识别"能力源自氨基取代基对配位微环境的精细调控：环戊基的立体阻碍使SG-Asp-CP对重稀土的选择性提升40%，而乙基修饰则显著优化了吸附动力学(<60 min达平衡)。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)揭示了配位机制：羧酸根(-COO^-)是稀土结合的主要位点，而氨基(-NH-)的参与度受取代基空间位阻调控。特别值得注意的是，这些吸附剂在0.5 mol/L HCl中可实现>99%的脱附效率，连续5次循环后仍保持92%以上的再生率，总有机碳(TOC)溶出量始终低于1%，展现出工业应用的巨大潜力。最终通过柱色谱分离系统，研究人员成功制备出纯度达99.997%的Y₂O₃，为稀土分离领域提供了新范式。

主要技术方法

1. 采用均相合成法在硅胶表面接枝天冬氨酸及其衍生物
2. 通过pH滴定和吸附等温线实验评估材料性能
3. 运用FTIR和XPS解析配位机制
4. 建立柱色谱分离系统进行实际纯度验证

研究结果
Preparation of SG-Asp, SG-Asp-Et and SG-Asp-CP
通过两步均相合成法，将3-氯丙基三甲氧基硅烷(CPTS)作为"分子桥"连接硅胶与天冬氨酸衍生物，取代传统甲醇溶剂体系，反应时间缩短至24小时内。

Characterization
扫描电镜(SEM)显示功能化后硅胶保持75-150 μm球形结构，EDS图谱证实碳氮元素成功引入。氮吸附测试表明材料具有介孔特征(孔径3-10 nm)，BET比表面积达300 m²/g。

Conclusions
该研究开创性地证明：通过氨基酸衍生物的理性设计可精准调控硅胶吸附剂的金属选择性，SG-Asp-Et对Ho/Y的分离因子(3.70)比传统工艺提高近4倍。这种"配位微环境工程"策略不仅适用于钇纯化，更为稀土组分离提供了新思路。

这项发表于《Journal of Psychiatric Research》的工作，首次将生物配体改造策略应用于稀土分离领域，其开发的硅胶基吸附剂兼具高分子材料的可设计性和无机载体的稳定性，有望推动稀土分离技术从"高能耗工艺"向"绿色精准分离"的范式转变。特别是在当前稀土资源战略价值凸显的背景下，该技术为保障高纯稀土供应链安全提供了中国方案。