Российские исследователи из НИТУ МИСИС запатентовали два инновационных способа получения соединений редкоземельных металлов. Речь идет о карбонате неодима и диоксиде церия, которые используются в высокотехнологичной промышленности. Новые методы открывают путь к созданию современных материалов для электроники и фармацевтики, а также делают отечественные разработки более конкурентоспособными на мировом рынке. Они позволят в разы повысить производительность, снизить энергозатраты и экологическую нагрузку.
Новые способы получения соединений редкоземов
Соединения редкоземельных металлов (РЗМ) применяются для разработки новых материалов и устройств с уникальными свойствами, включая катализаторы, керамические материалы, пигменты, электронные устройства, фармацевтику и многое другое, рассказали «Известиям» ученые. При этом традиционные методы получения их соединений, как правило, основаны на работе с разбавленными растворами, требуют повышенных температур и длительных стадий обработки, что снижает производительность и увеличивает объем солевых стоков.
1
Ученые НИТУ МИСИС предложили получать карбонат неодима осаждением. Это процесс, при котором твердый осадок получают из концентрированных азотнокислых растворов неодима с использованием насыщенных растворов углеаммонийных солей. Новая технология позволяет формировать однородные по форме и размеру частицы со структурой типа тангерита без длительной перекристаллизации и нагрева.
— Использование концентрированного раствора неодима позволило увеличить производительность процесса в 10 раз и сократить объем отходов как минимум в пять раз по сравнению с известными аналогами. Открывается возможность управлять строением частиц, что важно для производства катализаторов, керамики, пигментов и электронных компонентов, — сказала автор патента, профессор кафедры цветных металлов и золота НИТУ МИСИС Елена Богатырева.
Второй патент описывает способ получения порошков диоксида церия — материала, востребованного, в частности, в автомобильных катализаторах и полирующих составах. В отличие от традиционных методов, основанных на длительном прокаливании, разработка ученых МИСИС использует СВЧ-нагрев суспензии карбоната церия.
— Метод позволяет сократить продолжительность термической обработки с нескольких часов до 1–2 минут, исключить стадии промывки и сушки осадка и снизить затраты на реагенты. В результате формируется порошок диоксида церия со сфероидальной формой частиц и высокой долей мелкодисперсных фракций, что повышает его эффективность для дальнейшего использования, — добавила Елена Богатырева.
Соединения редкоземельных металлов, такие как неодим и церий, — основа современной высокотехнологичной промышленности, сказала «Известиям» кандидат химических наук, научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Алена Кулакова. Карбонат неодима сам по себе почти не используется, но служит ключевым промежуточным продуктом, так как из него получают соединения и сплавы для сверхсильных магнитов, которые применяются в электродвигателях, ветрогенераторах, электронике и оптике.
— Диоксид церия, напротив, уже готовый функциональный материал: он широко используется в автомобильных катализаторах для снижения вредных выбросов, а также в химической промышленности и при высокоточной полировке стекла и оптики, без чего невозможно производство современных дисплеев. Спрос на такие материалы стабильно растет на фоне развития электроники и зеленой энергетики, — пояснила специалист.
В этом контексте предложенные технологические решения выглядят конкурентоспособными: они направлены на упрощение производства, снижение энергозатрат и уменьшение объема отходов. Подобные разработки особенно востребованы, поскольку могут сыграть важную роль в развитии собственной промышленной базы и снижении зависимости от импорта редкоземельных материалов, подчеркнула Алена Кулакова.
Несмотря на наличие в России достаточно больших запасов редкоземельных элементов, технологии их извлечения и обогащения пока отстают от мировых лидеров. Особенно разрыв чувствителен в энергопотреблении и количестве используемых реагентов, отметил директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгений Александров.
— Кроме того, производство редкоземельных элементов сопровождается существенным уроном окружающей среде из-за большого количества токсичных отходов. Использование микроволнового синтеза перспективно в плане его ускорения и снижения энергоемкости. Углеаммонийные соли можно относительно просто получить из аммиака и углекислого газа, производимых промышленностью в больших масштабах, — сказал ученый.
Запатентованные способы ориентированы на создание технологических решений, пригодных для масштабирования и промышленного внедрения. Они расширяют возможности получения материалов на основе РЗМ и могут быть использованы при формировании современных ресурсосберегающих производственных процессов, подчеркнули разработчики.
