Seltene Erden sauberer trennen: MOF-Schwämme sollen es richten
Innovative MOF-Schwämme ermöglichen die umweltfreundliche Reinigung von Seltenen Erden. Die neuen Ansätze könnten die Metalltrennung revolutionieren.
Das Gewinnen Seltener Erden ist bislang recht umweltschädlich, mit MOF-Schwämmen soll das sauberer funktionieren.
Foto: PantherMedia / buraratn
Seltene Erden sind in unserem modernen Leben allgegenwärtig. Sie finden sich in einer Vielzahl von High-Tech-Produkten, von Smartphones über LED-Lampen, die unsere Häuser erhellen, bis hin zu leistungsstarken Neodym-Magneten in Elektrofahrzeugen und Windkraftanlagen. Ohne diese Metalle wären viele technische Errungenschaften, die wir für selbstverständlich halten, nicht möglich. Doch die herkömmliche Gewinnung und Reinigung dieser Metalle ist umweltschädlich und gefährlich. Ein Forschungsteam der Sandia National Laboratories (SNL) in den USA hat nun eine Alternative entwickelt.
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Traditionelle Methoden der Metallreinigung und ihre Probleme
Die Reinigung von Seltenen Erden erfolgt derzeit vor allem in China mit starken Säuren und giftigen Lösungsmitteln. Diese konventionellen Verfahren sind nicht nur energieintensiv, sondern produzieren auch große Mengen an umweltgefährdenden Abfällen. Die verwendeten Chemikalien können Luft, Wasser und Boden verschmutzen und stellen ein erhebliches Gesundheitsrisiko für die Arbeiter dar.
In den letzten drei Jahren hat das SNL eine umweltfreundlichere Methode zur Reinigung von Seltenen Erden entwickelt. Metallorganische Gerüste (Metal Organic Frameworks, MOFs) spielen dabei die Hauptrolle. Diese auch als „Schwämme“ bezeichneten Materialien können wertvolle Metalle selektiv aus wässrigen Lösungen herausfiltern. MOFs sind hochporöse Strukturen, die aus Metallknoten und organischen Molekülen bestehen. Diese Kombination ermöglicht es ihnen, bestimmte Metalle zu binden und andere auszusortieren.
„Wir haben MOFs mit variabler Oberflächenchemie synthetisiert und konnten durch Adsorptionsexperimente zeigen, dass diese MOFs Seltene Erden aus einer Mischung anderer Metalle herausfiltern können“, sagt Anastasia Ilgen, Geochemikerin bei Sandia und Projektleiterin. „Sie sind selektiver für die Seltenen Erden – das ist gut. Wichtig ist, dass wir gezeigt haben, dass ihre Fähigkeit, Metalle herauszufiltern, durch das Hinzufügen chemischer Gruppen auf ihrer Oberfläche fein eingestellt werden kann.
So funktionieren MOFs
MOFs funktionieren ähnlich wie Schwämme, die gezielt bestimmte Stoffe aus einer Flüssigkeit aufsaugen. Sandia-Forschende haben verschiedene MOF-Strukturen synthetisiert und ihre Oberflächen chemisch modifiziert, um ihre Fähigkeit zu testen, Seltene Erden aufzunehmen. Diese Modifikationen sind entscheidend, um die Selektivität der MOFs für bestimmte Metalle zu erhöhen. Durch den Einbau spezifischer chemischer Gruppen in die Struktur der MOFs konnten die Forschenden die Affinität der Schwämme für verschiedene Metalle gezielt steuern.
Ein zentraler Aspekt der Forschung ist das chemische Feintuning der MOFs, um ihre Selektivität zu verbessern. Das Forschungsteam fand heraus, dass MOFs, die negativ geladene Phosphonatgruppen enthalten, eine signifikant höhere Bindungsaffinität für Seltene Erden aufweisen. Diese Modifikation ermöglichte es den Schwämmen, die erwünschten Metalle effizienter aufzunehmen, während andere unerwünschte Metalle weniger stark gebunden wurden. Interessanterweise erhöhte diese chemische Modifikation auch die Selektivität für bestimmte Metalle wie Nickel im Vergleich zu Kobalt.
Computermodelle zur Optimierung der MOFs
Um die Entwicklung von MOFs voranzutreiben, die besonders selektiv für bestimmte Seltene Erden sind, hat das SNL-Team fortgeschrittene Computermodellierungstechniken eingesetzt. Kevin Leung, ein Materialwissenschaftler bei Sandia, verwendete zwei verschiedene Modellierungsmethoden, um die Wechselwirkungen zwischen den Seltenen Erden und den chemischen Gruppen auf den MOF-Oberflächen zu verstehen.
Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigten, dass schwerere Seltene Erden wie Lutetium eine größere Affinität zu negativ geladenen Chemikalien haben als leichtere Elemente wie Cer oder Neodym. Diese Erkenntnisse helfen, das Design der MOFs weiter zu verfeinern und ihre Effizienz zu maximieren.
Röntgenspektroskopie zur Analyse von Metallbindungen
Neben der Computermodellierung nutzten die Forscherinnen und Forscher auch die Röntgenspektroskopie, um die genaue chemische Umgebung der Seltenen Erden in den MOFs zu untersuchen. Anastasia Ilgen nutzte die Synchrotron-Röntgenabsorptions-Feinstrukturspektroskopie, um die Wechselwirkungen der Seltenen Erden mit den Metallknoten und den chemischen Gruppen in den MOFs zu analysieren.
Die Experimente lieferten wertvolle Einblicke, wie die Seltenen Erden in den MOFs gebunden sind und bestätigten, dass die Phosphonatgruppen eine Schlüsselrolle bei der selektiven Bindung der Metalle spielen.
„Meine spektroskopische Arbeit ist die erste, die die Oberflächenkomplexe von Seltenen Erden in MOFs identifiziert“, sagt Ilgen. „Niemand hatte zuvor Röntgenspektroskopie durchgeführt. Frühere Studien hatten die Oberflächenkomplexe aus Adsorptionstendenzen abgeleitet, aber niemand hatte sie ‚gesehen‘. Ich habe sie mit meinen Röntgenaugen gesehen.
So soll es weitergehen
Die bisherigen Forschungsergebnisse zeigen, dass MOFs ein vielversprechendes Potenzial für die umweltfreundliche Reinigung von Seltenen Erden haben. Das Forschungsteam plant nun, die Stabilität und Wiederverwendbarkeit dieser Materialien weiter zu verbessern. MOFs ohne strukturelle Defekte sind nach Ansicht des Teams tendenziell stabiler und könnten länger verwendet werden, was ihre Attraktivität für industrielle Anwendungen erhöht.
Eine mögliche Strategie zur Verbesserung der Selektivität und Stabilität könnte darin bestehen, MOFs mit einer Mischung verschiedener Metallknoten zu entwickeln oder die Porengröße der MOFs anzupassen, um bestimmte Metalle besser zu binden.
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