پژوهشگران دانشگاه ایلینوی مولکولی ساخته‌اند که با استفاده از برق، فرایند استخراج فلزات را کنترل می‌کند.
این فناوری می‌تواند میزان مواد شیمیایی موردنیاز برای بازیابی فلزات ارزشمند از زباله‌های الکترونیکی، جریان‌های حاصل از معدن‌کاری و پسماندهای صنعتی را به شکل چشمگیری کاهش دهد.
این مولکول سه قابلیت را در یک ساختار ترکیب کرده: می‌تواند یون‌های فلزی مشخص را به صورت انتخابی جذب کند، دارای بار الکتریکی دائمی است و در مایع آلی مورد استفاده در فرایند استخراج نیز حل می‌شود.
وجود همین بار داخلی باعث می‌شود جریان برق مستقیماً کنترل مولکول را در زمان جداسازی بر عهده بگیرد. در روش‌های معمول، برای انجام واکنش‌های لازم جهت جذب و آزادسازی فلزات به مواد شیمیایی اضافی نیاز است، اما در این روش می‌توان این واکنش‌ها را با یک سیگنال الکتریکی هدایت کرد.
پژوهشگران برای اثبات عملکرد فناوری، طلا را از محلول‌های حاصل از فرآوری زباله‌های الکترونیکی به صورت انتخابی جدا کردند. این آزمایش نشان داد فرایندی که معمولاً به مواد شیمیایی متکی است، می‌تواند با استفاده از برق کنترل شود.
این پژوهش بر پایه سامانه‌ای است که همین گروه تحقیقاتی در سال ۲۰۲۴ برای استخراج مایع-مایع با واسطه الکتروشیمیایی پیوسته یا e-LLE توسعه داده بود. در آن روش، برق جایگزین بسیاری از اسیدها و بازهای مورد استفاده در استخراج سنتی می‌شد، اما برای تکمیل چرخه همچنان به مواد شیمیایی اضافی نیاز بود.
نسخه جدید با تغییر ساختار خود مولکول استخراج‌کننده، این مرحله باقی‌مانده را نیز حذف کرده است. دبورا اشمیت، پژوهشگر پسادکتری و یکی از نویسندگان مقاله، گفت:
مولکول جدید دارای یک بار دائمی در ساختار خود است که مانند الکترولیت عمل می‌کند و به مایع اجازه می‌دهد جریان برق را عبور دهد. همین ویژگی باعث می‌شود واکنش‌های اکسایش و کاهش به جای مواد شیمیایی، با برق هدایت شوند. این کار یک فرایند جداسازی مهم صنعتی را که به شدت به مواد شیمیایی وابسته است، به طور کامل بر پایه برق قرار می‌دهد.
مولکول ابتدا با تحریک الکتریکی فعال می‌شود تا فلز هدف را جذب کرده و آن را به فاز آلی منتقل کند. سپس با تغییر وضعیت الکتریکی مولکول، فلز آزاد می‌شود و چرخه استخراج می‌تواند بدون استفاده از مواد شیمیایی واسطه‌ای رایج ادامه یابد.
این نخستین بار است که توانسته‌ایم استخراج حلالی الکتروشیمیایی را همان‌طور که تصور می‌کردیم اجرا کنیم. به مولکول بار الکتریکی می‌دهیم، مولکول فلز را جذب می‌کند، آن را به فاز آلی انتقال می‌دهد و سپس برق باعث آزاد شدن دوباره فلز می‌شود.
به گفته پژوهشگران، این روش میزان مصرف مواد شیمیایی را بین یک تا دو مرتبه بزرگی کاهش داده است؛ یعنی در برخی شرایط می‌تواند مصرف این مواد را تا حدود ۱۰۰ برابر پایین بیاورد. کاهش چنین ورودی‌هایی علاوه بر کم کردن حجم پسماند، می‌تواند ساختار و مراحل فرایند استخراج را نیز ساده‌تر کند.
طلا به عنوان نمونه اصلی برای نمایش قابلیت این فناوری انتخاب شد، اما طراحی مولکول محدود به این فلز نیست. پژوهشگران معتقدند می‌توان ساختار آن را برای جداسازی فلزات ارزشمند دیگری نیز تنظیم کرد؛ از جمله فلزات گروه پلاتین که در کاتالیزورهای خودروهای مستعمل وجود دارند و همچنین برخی عناصر حیاتی موجود در باطله‌های معدنی و دیگر جریان‌های پیچیده پسماند.
آدریییکه آگودا، دانشجوی تحصیلات تکمیلی و از نویسندگان مقاله، گفت:
این سامانه را می‌توان برای بازیابی انتخابی فلزات ارزشمند مختلف، مانند فلزات گروه پلاتین از کاتالیزورهای خودروهای مستعمل، و احتمالاً تعدادی از عناصر حیاتی دیگر از باطله‌های معدنی یا مواد اولیه پیچیده تطبیق داد. از آنجا که بستر الکتروشیمیایی تقریباً ثابت باقی می‌ماند، می‌توان شیمی ماده استخراج‌کننده را متناسب با کاربرد تغییر داد تا فلز موردنظر هدف قرار گیرد.
بنابراین نوآوری اصلی این پژوهش صرفاً استخراج طلا با استفاده از برق نیست. اهمیت اصلی در ایجاد یک چارچوب مولکولی قابل تنظیم است که می‌تواند برای فلزات مختلف طراحی شود، در حالی که اساس فرایند الکتروشیمیایی همچنان تقریباً یکسان باقی می‌ماند.
پژوهشگران اکنون روی طراحی مولکول‌های جدید و بررسی امکان توسعه این فناوری در مقیاس صنعتی کار می‌کنند. آن‌ها همچنین از مدل‌سازی رایانشی و هوش مصنوعی برای سرعت بخشیدن به فرایند کشف و طراحی مولکول‌های استخراج‌کننده تازه بهره می‌گیرند.
یکی از اعضای تیم پژوهشی گفت:
از این کار بسیار هیجان‌زده هستم، زیرا نشان می‌دهد الکتروشیمی یک گام دیگر به ارائه روش‌های جداسازی مقیاس‌پذیر و کم‌پسماند نزدیک شده است. با افزایش توجه به مواد معدنی حیاتی و زنجیره‌های تأمین، این فناوری می‌تواند به بازنگری در شیوه بازیابی فلزات کمک کند؛ روشی که پاک‌تر و کاملاً مبتنی بر برق باشد.
نتایج این پژوهش در مجله ACS Energy Letters منتشر شده است.
نظرات کاربران