Neue Wege für die Gewinnung von Seltenen Erden in Zeiten globaler Handelsspannungen
Ein effizienterer und umweltfreundlicherer Ansatz zur Gewinnung von Seltenen Erden, die von Elektrofahrzeugbatterien bis hin zu Smartphones alles antreiben, könnte die heimische Versorgung erhöhen und die Abhängigkeit von teuren Importen verringern.
Rendering von künstlichen Kanälen.
The University of Texas at Austin
Diese neue Methode, die von Forschern der University of Texas in Austin entwickelt wurde, ermöglicht die Trennung und Gewinnung dieser begehrten Elemente in Bereichen, in denen dies heute nicht möglich ist, und eröffnet damit neue Wege für die Gewinnung von Seltenen Erden in Zeiten globaler Handelsspannungen.
"Seltene Erden sind das Rückgrat fortschrittlicher Technologien, aber ihre Gewinnung und Reinigung ist energieintensiv und in den erforderlichen Größenordnungen extrem schwierig zu realisieren", so Manish Kumar, Professor am Fariborz Maseeh Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering der Cockrell School of Engineering und am McKetta Department of Chemical Engineering. "Unsere Arbeit zielt darauf ab, dies zu ändern, inspiriert von der natürlichen Welt.
Die Forschungsarbeit wurde kürzlich in ACS Nano veröffentlicht. Die Forscher entwickelten künstliche Membrankanäle - winzige in Membranen eingebettete Poren -, die die selektiven Transportmechanismen von Transportproteinen in biologischen Systemen nachahmen. Diese Kanäle sind die Straßen, die von verschiedenen Ionen benutzt werden, um zwischen Zellen zu reisen.
Jeder Kanal ist anders, er lässt nur Ionen mit bestimmten Eigenschaften durch und hält andere fern. Diese Selektivität ist für viele biologische Prozesse von entscheidender Bedeutung, so auch für das Denken unseres Gehirns.
Die künstlichen Kanäle der Forscher verwenden eine modifizierte Version einer Struktur namens Pillaren, um ihre Fähigkeit zu verbessern, bestimmte gewöhnliche Ionen zu binden und zu blockieren, während sie bestimmte Seltenerdionen transportieren. Das Ergebnis ist ein System, das selektiv mittlere Seltenerdelemente wie Europium (Eu³⁺) und Terbium (Tb³⁺) transportieren kann, während andere Ionen wie Kalium, Natrium und Kalzium ausgeschlossen werden.
"Die Natur hat die Kunst des selektiven Transports durch biologische Membranen perfektioniert", sagt Venkat Ganesan, Professor am McKetta Department of Chemical Engineering und einer der Forschungsleiter, "diese künstlichen Kanäle sind wie winzige Torwächter, die nur die gewünschten Ionen durchlassen."
Seltene Erden werden in verschiedene Klassen eingeteilt (leichte, mittlere und schwere), die jeweils unterschiedliche Eigenschaften haben, die sie für bestimmte Anwendungen ideal machen. Mittlere Elemente werden in der Beleuchtung und in Bildschirmen, einschließlich Fernsehern, sowie als Magnete in umweltfreundlichen Energietechnologien wie Windturbinen und Batterien für Elektrofahrzeuge verwendet.
Das US-Energieministerium und die Europäische Kommission haben mehrere Mittelelemente, darunter Europium und Terbium, als kritische Materialien identifiziert, bei denen die Gefahr einer Versorgungsunterbrechung besteht. Da die Nachfrage nach diesen Elementen bis 2035 voraussichtlich um mehr als 2.600 % steigen wird, ist es dringender denn je, nachhaltige Wege zu ihrer Gewinnung und Wiederverwertung zu finden.
In Experimenten zeigten die künstlichen Kanäle eine 40-fache Präferenz für Europium gegenüber Lanthan (ein leichtes Seltenerdelement) und eine 30-fache Präferenz für Europium gegenüber Ytterbium (ein schweres Seltenerdelement). Diese Selektivitätsniveaus sind deutlich höher als bei herkömmlichen lösungsmittelbasierten Methoden, die Dutzende von Schritten erfordern, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
Mithilfe fortschrittlicher Computersimulationen entdeckten sie, dass die Selektivität der Kanäle auf einzigartige, durch Wasser vermittelte Wechselwirkungen zwischen den Seltenerdionen und dem Kanal zurückzuführen ist. Diese Wechselwirkungen ermöglichen es den Kanälen, zwischen Ionen auf der Grundlage ihrer Hydratationsdynamik zu unterscheiden - wie Wassermoleküle Ionen umgeben und mit ihnen interagieren.
Kumar und sein Team arbeiten seit mehr als fünf Jahren an dieser Forschung. Er ist ein Experte für membranbasierte Trennverfahren und wendet dieses Wissen auch auf die Erzeugung von sauberem Wasser an.
Die Forscher stellen sich vor, dass ihre Technologie in skalierbare Membransysteme für den industriellen Einsatz integriert werden kann. Ziel ist es, die Durchführung von Ionentrennungen in den USA unter Verwendung sauberer Energie zu erleichtern.
Sie arbeiten an einer Plattform für diese Kanäle, die es den Nutzern ermöglicht, eine Vielzahl von Ionen für die Sammlung auszuwählen. Dazu könnten auch andere wichtige Mineralien wie Lithium, Kobalt, Gallium und Nickel gehören.
"Dies ist ein erster Schritt auf dem Weg, die ausgeklügelten molekularen Erkennungs- und Transportstrategien der Natur in robuste industrielle Prozesse zu übertragen und so eine hohe Selektivität in Bereichen zu erreichen, in denen die derzeitigen Methoden nicht ausreichen", so Harekrushna Behera, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Kumars Labor, der an dem Projekt mitarbeitete.
Zu dem Team gehören Forscher aus dem Fachbereich Bau-, Architektur- und Umwelttechnik von Fariborz Maseeh, dem Fachbereich Chemieingenieurwesen von McKetta und dem Fachbereich Chemie des College of Natural Sciences. Sie sind: Tyler J. Duncan, Laxmicharan Samineni, Hyeonji Oh, Ankit Jogdand, Arnav Karnik, Raman Dhiman, Aida Fica, Tzu-Yun Hsieh.
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