[发明专利]镧系元素和锕系元素电化学

说明书

使镧系元素或锕系元素在溶剂中在工作电极电化学反应，其中溶剂包括具有至少3的介电常数的有机溶剂，例如乙腈；其中溶剂系统还包含电解质；其中工作电极包括离子导电或渗透膜，例如，氟磺酸盐膜；其中存在至少一种不同于离子导电或渗透膜的配位体，例如三氟甲磺酸根，其中配位体在化学上类似于离子导电或离子渗透膜中的结构，任选其中在有利促进反应的磁场影响下进行电化学氧化或还原。可实现改进的电化学方法、鉴定和分离。另外，一种电化学装置，其中该装置适于在阴极采用氧还原反应(ORR)，其中阴极经磁性改性，或者电解质包含至少一种镧系元素或锕系元素或二者。

相关申请

本申请要求2014年5月12日提交的美国临时申请序列号61/992,112的优先权，所述申请全文通过引用结合到本文中。

联邦资助声明

本发明根据美国国家科学基金会(the National Science Foundation)授予的基金0809745和1309366在政府支持下产生。政府拥有本发明的某些权利。

发明背景

电化学是很多不同类型工业过程的强有力工具，包括例如，分离、传感、鉴定、单质金属成形、能量产生和储存、催化等。然而，由于镧系元素和锕系元素的独特性质，稀土元素(镧系元素和锕系元素)的电化学通常是更难的课题。镧系元素分析在电化学上受其标准电位限制(在-1.99和-3.90V v. NHE范围内；Cotton, S., Lanthanide and Actinide Chemistry, Wiley: 2007; Vol. 27)。这些电位落在普通液体电化学溶剂(例如，水和有机物)的电位窗外。例如，在水溶液中在铂上，电位窗(在1M酸中)被溶剂电解限制在+1.3和-0.7V v. NHE之间(Bard, A.J.; Faulkner, L.R., Electrochemical Methods, Fundamentals, and Applications, 第2版; John Wiley, 2001)。以前，为了考察镧系元素化合物，研究人员已求助于滴汞电极或电化学改性碳糊电极(Schumacher et al., Rev. Anal. Chem., 2013, 32(2), 159-171)。另外，在很多情况下，在熔融盐和离子液体的不太易于控制且更昂贵的溶剂系统中进行电化学(Binnemans, Chem. Rev., 2007, 107(6),2592-2614; Yamagata et al., J. Electrochem. Soc., 153(1), E5-E9 (2006))。另外，由于镧系元素和锕系元素的大多数性质(例如，质量、离子半径、氧化态和标准电位)跨列变化很小，锕系元素和尤其镧系元素分离困难，因为它们依赖很多连续萃取。

因此，目前的镧系元素和锕系元素检测和分离方法冗长、代价高且耗时。尽管有这些难题，镧系元素和锕系元素仍是工业上重要的关键材料，因此，工业需要驱动研发稀土电化学和分离的新方法。例如，在²³⁵U裂变期间产生镧系元素同位素，其大部分衰变成包括镧系元素的稳定非放射性混合物。

显然，在工业上需要用于镧系元素和锕系元素的更佳电化学方法，包括例如分离、检测和鉴定，也用于技术上重要的反应，例如在电池和燃料电池中关键的氧还原反应(ORR)。

已对研发简单非质子电化学溶剂中镧系元素和锕系元素的电化学方法进行了一些尝试，具有负面或有限的结果。