环糊精包裹金离子示意图
目前,提取黄金最常用的方法,主要是将金转变为水溶性氰化物盐,然后通过还原得到金元素,但这一过程可能产生剧毒的氰化物,进而污染环境。尽管多个国家禁用氰化物浸洗法,但全球80%以上黄金仍使用这种方式提炼。几乎所有的黄金开采公司使用这有毒的金浸出工艺螯合贵重金属。
西北大学的科学家在实验室里意外发现了一种廉价、经济和对环境友好的黄金分离方法:使用简单的玉米淀粉(衍生物),而不是用经典的氰化物,选择性从原料中分离黄金。这种绿色的方法可从粗原料中提取黄金而留下其他金属,新程序也可以用于从消费电子废物中提取黄金。
弗雷泽先生的团队使用简单的试管意外发现这一新的黄金提取过程。随后的一系列严谨观察提供了该新方法具有竞争优势的证据。该发现刊登在自然通讯杂志上,在斯图达特实验室工作的刘志常博士后(博士毕业于上海有机化学研究所)为第一作者。他曾取两个试管,分别加入α-环糊精水溶液和金酸盐溶液,然后室温下将二者在烧杯中混合。这样做的目的是想得到扩展的展三维立方结构,以用于气体和小分子存储。出乎意料的是,他得到了针状结构,后者在两种溶液混合后迅速形成。
“实验没有产生立方结构,最初我很失望,但当我看到针状结构时,我兴奋了,”刘博士后说。“我想进一步了解有关这些针的组成信息”。“大自然决定了另一种方式”斯图达特说,"这些针状沉淀,是由超分子导线组成的如稻草一样捆绑在一起,从溶液混合到出现不到一分钟。"发现后针状结构后,刘博士后甄别了六种不同的组合:α-、β-和γ-环糊精(分别由6、7和8个葡萄糖单位组成的环),分别与溴金酸(KAuBr4)或氯金酸 (KAuCl4)结合。结果发现 α-环糊精分离黄金的效果最好。
“α-环糊精是金牌得主,”斯图达特说。“志常博士意外撞到了从任何含金东西中分离黄金的绿色魔法。”“该新方法产生的碱金属盐废物是比较环保的”,斯图达特说,“而传统方法产生的废物含有毒的氰化物和气体。西北大学的分离程序也比目前的商业分离程序更有效率。”
这种由α-环糊精与黄金化合物形成的超分子纳米线,直径1.3纳米,如稻草一样自组装。每根纳米线中,金离子位于四溴原子中心,而钾离子由六个水分子环绕;这些离子与α-环糊精环形成交替相夹的模式。约4000纳米线相互平行捆绑可形成单一针状(很想知道它的电导性如何),电镜下可见。
“有很多化学过程装入了这些纳米线,”斯图达特说。“原子力显微镜观察发现单个纳米线由一个个甜甜圈形的α-环糊精环交替堆积形成优雅的结构。” 针状结构超分子导线的原子位置细节是通过单晶X-射线衍射发现。该研究是工作中从机缘巧合发现到基于当代科学带来成果促成技术应用的一个典型例子。研究团队的基础科学研究打造了从废合金分离黄金的实用程序。