전자 폐기물에서 금 회수에 혁명을 일으킬 새로운 분자

요약:

일리노이 대학교 어바나 샴페인(Urban-Champaign)의 연구원들은 전기로 직접 구동되어 전자 폐기물, 광산 물류 및 산업 폐기물에서 가치 있는 금속을 회수하고 화학 시약에 대한 기존 공정의 의존도를 크게 줄일 수 있는 새로운 추출 분자를 개발했습니다. 이 연구는 금속 재활용 공정을 더욱 깨끗하고 단순하며 에너지 효율적으로 만들 수 있습니다.

이 학교 화학 및 생체분자공학과 Su Xiao 교수가 주도한 이번 연구 결과는 'ACS Energy Letters'에 게재되었습니다. 연구팀은 앞서 전자폐기물에서 금을 회수하기 위해 2024년 연속 전기화학 매개 액체-액체 추출 기술인 e-LLE를 제안한 바 있다. 이 기술은 액체-액체 추출에 일반적으로 필요한 대량의 산과 염기를 전기로 대체할 수 있음을 보여줍니다. 액체-액체 추출은 금속을 분리하고 정제하는 데 널리 사용되는 기술이지만 당시 시스템에서는 전체 추출 주기를 완료하기 위해 여전히 추가 화학 시약이 필요했습니다.

이번에 연구진은 추출 분자 자체를 변형하여 남은 화학적 단계를 제거했습니다. 그들은 금속 이온과 선택적으로 결합하고 영구 전하를 가지며 추출에 사용되는 유기상에서 안정적인 다기능 분자를 설계했습니다. 분자는 자체 전하를 갖고 있기 때문에 연구자들은 전기로 반응을 직접 제어할 수 있어 이전에 필요했던 중간 화학 시약이 필요하지 않습니다.

새로운 분자에 내장된 영구 전하는 전해질 역할을 하여 액체를 전도성으로 만든다고 논문의 공동 저자이자 박사후 연구원인 Deborah Schmidt가 말했습니다. 따라서 산화환원 반응은 화학물질이 아닌 전기에 의해 추진될 수 있습니다. 그녀는 이 작업이 화학 시약에 크게 의존하는 산업 분리 공정의 완전한 전기화를 가능하게 한다고 지적합니다.

Su Xiao는 "우리가 한때 상상했던 방식으로 전기화학적 용매 추출을 실행한 것은 이번이 처음입니다. 분자를 충전하고 금속을 결합하여 유기상으로 가져온 다음 전기를 통해 금속을 방출합니다."

전기로 공정을 직접 구동함으로써 화학물질 소비를 1~2배 줄일 수 있으며 추출 주기도 단순화됩니다. 중간 시약을 전기로 교체하면 이론적으로 화학 폐기물과 에너지 소비를 모두 줄일 수 있습니다.

실험실 테스트에서 연구자들은 전자 폐기물 침출수에서 금을 선택적으로 회수하기 위해 이 분자를 사용했습니다. 이른바 침출수는 폐전자제품에 귀금속을 용해시켜 만든 용액이다. 금은 이 연구의 첫 번째 시연이지만 팀의 더 큰 목표는 다른 분리 문제를 위한 전기 활성 추출제를 개발하기 위한 일련의 분자 설계 원리를 확립하는 것입니다.

논문의 공동 저자이자 대학원생인 Adryjek Aguda는 이 시스템이 폐자가촉매에서 백금족 금속을 회수하고 광미나 기타 복잡한 원자재에서 여러 핵심 원소를 회수하는 등 다양한 고가치 금속을 선택적으로 회수하는 데 적용될 수 있다고 말했습니다. 전기화학적 플랫폼 자체는 본질적으로 변하지 않기 때문에 연구자들은 다양한 응용 요구 사항에 따라 다양한 금속을 표적으로 삼도록 추출제의 화학 구조를 조정할 수 있습니다.

Su Xiao는 이번 연구가 그러한 시스템을 이해하고 설계하기 위한 기본 경로를 열어준다고 말했습니다. 다음 단계에서 팀은 이 기술의 개발을 산업 규모의 응용 분야로 촉진하는 동시에 더 많은 분자 설계 솔루션을 계속 개발하고 새로운 추출제의 스크리닝 및 발견을 가속화하기 위해 컴퓨터 모델링 및 인공 지능 분야의 협력을 모색하는 데 중점을 둘 것입니다.

Su Xiao는 중요한 광물 자원과 공급망 문제에 대한 관심이 높아지면서 전기화학이 확장 가능하고 폐기물이 적은 분리 기술을 제공하고 사람들이 더 깨끗하고 완전히 전기화된 방식으로 금속을 재활용하는 방법을 재고하도록 촉진할 수 있는 잠재력이 있음을 보여준다고 말했습니다.

연구 논문의 제목은 "선택적 산화환원 활성 화합물에 고정 전하를 부여하여 액체-액체 추출의 직접 전기화"이며 2026년 7월 7일 "ACS Energy Letters"에 게재되었습니다. DOI는 10.1021/acsenenergylett.6c01434입니다. 이 연구는 미국 에너지부 과학실의 기초 에너지 과학 부서 및 분리 과학 프로그램(프로젝트 번호 DE-SC0025636)의 자금 지원을 받았습니다.