Forscher der Penn State University haben mithilfe eines aus Pflanzen gewonnenen Materials ein saubereres und nachhaltigeres Verfahren zur Trennung und Rückgewinnung von Dysprosium entwickelt. Dysprosium ist ein wichtiges Seltenerdmetall, das in der Elektronik, in Motoren und in Technologien für saubere Energie eingesetzt wird. Dieser Ansatz könnte dazu beitragen, den Versorgungsdruck zu verringern und die Umweltbelastung durch den Abbau von Seltenen Erden zu reduzieren.
Ein Team von Ingenieuren der Penn State University hat aus einem gewöhnlichen Pflanzenmaterial ein Hightech-Werkzeug entwickelt, das dazu beitragen könnte, eines der schwierigsten Probleme der modernen Fertigung zu lösen: die Gewinnung kritischer Seltenerdmetalle ohne Zerstörung der Umwelt.
Durch die gezielte Anpassung der Struktur der Cellulose – dem Hauptbaustein der pflanzlichen Zellwände – schufen die Forscher ein winziges, „haariges“ Nanomaterial, das Dysprosium, ein schweres Seltenerdelement, selektiv aus Gemischen extrahieren kann, die auch andere Metalle enthalten.
Dysprosium ist unverzichtbar für die Herstellung von Halbleitern, Hochleistungsmagneten, Motoren, Generatoren und sogar Bauteilen, die zur Stabilisierung von Steuerstäben in Kernkraftwerken beitragen. Es ist zudem knapp, und die derzeitigen Methoden zur Gewinnung und Trennung von Seltenen Erden sind energieintensiv, chemisch aggressiv und oft umweltschädlich.
Mit der steigenden Nachfrage nach fortschrittlicher Elektronik und sauberen Energietechnologien dürfte sich dieser Druck noch verstärken.
„Mit dem technologischen Fortschritt werden Hersteller immer mehr Dysprosium benötigen – Prognosen zufolge könnte die Nachfrage nach diesem Material in den nächsten 25 Jahren um über 2,500 % steigen“, erklärte Projektleiter Amir Sheikhi, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der Penn State University und Inhaber des Dorothy Foehr Huck und J. Lloyd Huck Lehrstuhls für Biomaterialien und Regenerative Technik, in einer Pressemitteilung. „Ein nachhaltiges und umweltfreundliches Verfahren zur Gewinnung dieses Materials wird den USA strategisch helfen, im Wettbewerb mit Ländern wie China bestehen zu können.“
Seltene Erden sind eine Gruppe von 17 Metallen, die für zahlreiche Anwendungen unerlässlich sind – von Smartphones und Windkraftanlagen bis hin zu Elektrofahrzeugen und militärischen Systemen. Sie werden oft als „selten“ bezeichnet, nicht weil sie in der Erdkruste selten sind, sondern weil sie selten in konzentrierten, leicht abbaubaren Lagerstätten vorkommen. Zudem treten sie häufig gemeinsam auf und weisen sehr ähnliche chemische Eigenschaften auf, was ihre Trennung bekanntermaßen extrem schwierig macht.
„Die Trennung der Seltenerdelemente voneinander war aufgrund der sehr ähnlichen chemischen Strukturen der Metalle äußerst schwierig“, fügte Sheikhi hinzu, der auch Gründungsdirektor des Labors für Bio-Soft-Materialien ist. „Wir haben nach einer zuverlässigen Methode gesucht, um schwere Elemente wie Dysprosium von leichteren Elementen wie Neodym zu trennen und gleichzeitig die negativen Umweltauswirkungen der derzeitigen Trennverfahren zu vermeiden.“
Heutzutage basieren die meisten kommerziellen Trennverfahren auf lösungsmittelbasierten Prozessen, die große Mengen an Chemikalien und umfangreiche Anlagen erfordern. Diese Systeme können ganze Maschinenräume benötigen und erhebliche Abfallmengen erzeugen.
Sheikhis Gruppe verfolgte einen anderen Ansatz und nutzte Zellulose, einen reichlich vorhandenen, nachwachsenden Rohstoff, der in nahezu allen Pflanzen vorkommt. Das Team modifizierte die Zellulose auf molekularer Ebene, um Nanozellulosekristalle mit einer Länge von nur etwa 100 Nanometern herzustellen – rund 1,000-mal dünner als ein menschliches Haar.
An jedem Ende dieser Kristalle wurden dichte, haarähnliche Celluloseketten mit negativen Ladungen angebracht. Das Ergebnis ist eine Struktur, die als anionische haarige Cellulose-Nanokristalle oder AHCNC bekannt ist.
Anschließend testeten die Forscher, wie sich dieses pflanzenbasierte Nanomaterial in einer wässrigen Lösung verhält, die zwei Seltenerdelemente enthält: Neodym, ein leichtes Seltenerdelement, das in Hochleistungsmagneten verwendet wird, und Dysprosium, ein schweres Seltenerdelement, das häufig mit Neodym in Hochleistungsanwendungen kombiniert wird.
Das Trennverfahren beruht auf Adsorption, bei der Ionen aus einer Flüssigkeit an der Oberfläche eines Feststoffs haften bleiben. Nach Zugabe von AHCNC zur Mischmetalllösung beobachtete das Team, dass sich die „Härchen“ auf den Nanokristallen anders verhielten als jene auf anderen, von ihnen untersuchten cellulosebasierten Materialien.
In Gegenwart von Dysprosium schrumpften die chemisch modifizierten Ketten an den Enden der Nanokristalle auf charakteristische Weise, was auf eine spezifische Empfindlichkeit gegenüber dem Schwermetall hindeutet. Weiterführende Analysen zeigten, dass diese „haarigen“ Enden effektiv wie ein selektiver Filter wirkten und Dysprosiumionen gegenüber Neodymionen bevorzugt zurückhielten.
„Dies ist meines Wissens das erste Beispiel eines Adsorptionsmittels auf Cellulosebasis, das selektiv zwischen schweren und leichten Seltenerdelementen filtern kann“, fügte Sheikhi hinzu. „Darüber hinaus ist unser Verfahren sehr einfach und effizient. Wir geben einfach unsere Nanocellulose zu einer Lösung und trennen die Metalle ab.“
Anfangs ging das Team davon aus, dass die Art der an die Cellulose gebundenen chemischen Gruppen – die sogenannten funktionellen Gruppen, die das Reaktionsverhalten von Molekülen steuern – der Hauptfaktor für die Selektivität sein würde. Doch direkte Vergleiche mit anderen Celluloseplattformen ergaben ein anderes Bild.
„Nachdem wir dieses Verhalten mit anderen Cellulose-basierten Plattformen verglichen haben, stellten wir fest, dass nicht nur die Art der funktionellen Gruppen des Materials diese Selektivität bedingt“, fügte Sheikhi hinzu. „Es ist die Struktur des Materials selbst und die Position der funktionellen Gruppen, die die einzigartigen Eigenschaften dieser haarartigen Nanostrukturen ausmachen.“
Diese Erkenntnis weist auf ein wirkungsvolles Konstruktionsprinzip hin: Durch die präzise Abstimmung sowohl der Architektur der Nanocellulose als auch der Platzierung wichtiger chemischer Gruppen könnten Ingenieure eine Reihe pflanzenbasierter Filter entwickeln, die auf verschiedene Seltene Erden und andere kritische Mineralien zugeschnitten sind.
Die Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Fortgeschrittene Funktionsmaterialien, baut auf Sheikhis früheren Forschungen mit zellulosebasierten Verbindungen auf, Neodym zurückgewinnen Aus Elektronikschrott wie recycelten Computerplatinen. In der neuen Studie erweiterte das Team dieses Konzept auf Dysprosium und zeigte, dass eine ähnliche nachhaltige Plattform angepasst werden kann, um ein anderes und noch schwieriger zu gewinnendes Seltenerdelement zu gewinnen.
Da das neue Verfahren wasserbasierte Lösungen und einen nachwachsenden, pflanzlichen Rohstoff verwendet, ist es potenziell sauberer und nachhaltiger als die herkömmliche Lösungsmittelextraktion. Zudem ist der Prozess relativ einfach, was eine Skalierung für den industriellen Einsatz erleichtern könnte.
Die Forscher sehen in ihrem Ansatz, der weiterentwickelt wird, die Möglichkeit, Dysprosium und andere Seltene Erden aus Produktionsabfällen, Elektronikschrott und anderen Abfallströmen zu recyceln. Diese Art von „Urban Mining“ könnte die Abhängigkeit von neuen Abbauprojekten verringern und zur Stabilisierung der Versorgung mit kritischen Rohstoffen beitragen.
Als Nächstes plant das Team zu testen, ob ihre Nanocellulose-Plattform so angepasst werden kann, dass sie weitere Seltenerdelemente und andere strategisch wichtige Mineralien isoliert. Zudem wollen sie das Design und die Leistungsfähigkeit des Materials optimieren, um die Technologie für den Einsatz in Fabriken und Laboren in den gesamten Vereinigten Staaten zu skalieren.
Im Erfolgsfall könnte ein pflanzenbasiertes Nanomaterial, das Seltene Erden sauber aussortieren kann, eine seltene Win-Win-Situation bieten: Es würde die Technologien unterstützen, die das moderne Leben prägen, und gleichzeitig die Umweltkosten der Materialien senken, die diese Technologien erst ermöglichen.
Quelle: Pennsylvania State University