Neue Studie: umweltfreundliche Methode zur Reinigung seltener Erdmetalle mittels metallorganischer Gerüstverbindungen (MOFs)

BerlinSeltene Erden sind entscheidend für moderne Technologien wie Smartphones, Elektroautos und erneuerbare Energiesysteme. Die derzeitigen Methoden zur Reinigung dieser Metalle verwenden jedoch starke Säuren und schädliche Lösungsmittel, die zur Umweltverschmutzung führen. Dies hat Umweltbedenken geweckt und verdeutlicht den Bedarf an umweltfreundlicheren Verfahren. Forscher der Sandia National Laboratories arbeiten an einer grüneren Methode zur Extraktion von Seltenen Erden mithilfe von metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) aus wasserbasierten Gemischen.

MOFs sind winzige Strukturen aus Metallen und organischen Verbindungen. Durch Variation dieser Bestandteile können Forscher „Schwämme“ entwickeln, die gezielt seltene Erden aufnehmen. Diese neue Methode bietet zahlreiche Vorteile.

• Minimiert Umweltauswirkungen durch Vermeidung giftiger Chemikalien.
• Ermöglicht effizientere Trennung von seltenen Erden.
• Erlaubt die gezielte Anpassung von MOFs an bestimmte Metalle.

Sandias Team prüfte zunächst, wie gut MOFs seltene Erden aufnehmen können, mithilfe von Computermodellen und Röntgenuntersuchungen. Ihr Ziel ist es, MOFs zu entwickeln, die spezifisch ein seltenes Element extrahieren und andere vernachlässigen. Dies könnte Industrien revolutionieren, die auf diese Materialien angewiesen sind, wie die Elektronikbranche, die Elektromobilität und die erneuerbaren Energien.

In einer Studie entwickelten Forscher zwei Arten von Zirkonium-basierten Metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs). Sie entdeckten, dass das Hinzufügen von negativ geladenen Gruppen wie Phosphonat zu den Verbindern die Metalladsorption förderte. Interessanterweise wirkten sich diese Gruppen kaum auf die Adsorption seltener Erdenmetalle aus, wenn sie an die Metallzentren gebunden waren, verbesserten jedoch die Fähigkeit der MOFs, Nickel gegenüber Kobalt zu selektieren. Dies zeigt, dass die Struktur eines MOFs seine Funktion deutlich beeinflussen kann.

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Der Wissenschaftler Kevin Leung, der Materialien mithilfe von Computern untersucht, nutzte molekulare Dynamik und Dichtefunktionaltheorie, um das Verhalten von Seltenen Erden zu analysieren. Er entdeckte, dass diese Elemente eher an negativ geladene Chemikalien als an Wasser binden, wobei diese Tendenz bei schwereren Elementen wie Lutetium noch ausgeprägter ist. Allerdings fand er heraus, dass keine einzelne chemische Gruppe spezifisch nur an eine Art von Metall binden kann.

Die Röntgenspektroskopie lieferte uns genauere Einblicke. Anastasia Ilgens Forschung ergab, dass seltene Erden sich an den Metallzentren von Zirkonium- und Chrom-MOFs anlagern. In MOFs mit Phosphonatgruppen bevorzugen sie hingegen die Bindung an diese Gruppen. Dies deutet darauf hin, dass die chemische Zusammensetzung so angepasst werden kann, dass eine bessere Selektivität beim Binden erreicht wird.

Forscher untersuchen verschiedene Methoden, um MOFs so zu gestalten, dass sie gezielt Ionen auswählen können. Sie könnten die chemische Zusammensetzung der Metallkomponenten verändern, mehr als einen Metalltyp verwenden oder die Eigenschaften der Oberflächengruppen modifizieren. Durch die Anpassung dieser Faktoren hoffen sie, MOFs zu entwickeln, die effektiv Seltene Erden trennen können.

Sandias Forschung entwickelt effizientere und umweltfreundlichere Methoden zur Reinigung wichtiger Metalle. Dies trägt dazu bei, Umweltschäden zu verringern und die Nachhaltigkeit wesentlicher Technologien zu verbessern. Die Arbeit des Teams zeigt, wie nützlich MOFs bei der Bewältigung großer Herausforderungen in der Materialwissenschaft sein können.