Forscher in den USA entwickeln ein neues Trennverfahren, das selektiv zwischen den verschiedenen Vertretern der Rohstoffgruppe unterscheiden kann.
Seltene Erden sind gefragte Rohstoffe für zahlreiche Technologien. Ihre Verfügbarkeit ist jedoch begrenzt, da die Produktion stark regional konzentriert ist. Weltweit werden daher neue Gewinnungsverfahren für die Rohstoffe entwickelt, etwa mithilfe von Algen, genmodifizierten Viren oder aus ungewöhnlichen Quellen wie ausgedienten Energiesparlampen. Neben der Reduzierung der Importabhängigkeit zielen diese Ansätze auf mehr Umweltfreundlichkeit ab, denn konventionelle Methoden verbrauchen vergleichsweise viel Energie und die benötigten Chemikalien können ökologisch problematisch sein.
Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung innovativer Produktionsverfahren ist zudem die Unterscheidung in sogenannte leichte und schwere Seltene Erden aufgrund verschiedener chemischer Eigenschaften. Die einzelnen Elemente voneinander zu trennen gilt als anspruchsvoll. An der Pennsylvania State University in den USA wurde dafür nun eine Technologie entwickelt, die Cellulose nutzt, einen essenziellen Baustein pflanzlicher Zellwände. Mithilfe cellulosebasierter Verbindungen konnte das Forschungsteam zunächst erfolgreich das leichte Seltenerdelement Neodym extrahieren.
Gewinnungsmethode speziell für Dysprosium gesucht
Anschließend wurde die Methode weiterentwickelt, um Dysprosium selektiv abzutrennen. Dieses schwere Seltenerdelement ist eine essentielle Komponente für Anwendungen wie Hochleistungsmagneten und Brennstäbe in der Kernenergie; die Nachfrage könnte in den kommenden Jahren stark steigen, während die Gewinnung zugleich fast ausschließlich auf China beschränkt ist.
Die Forscher veränderten die molekulare Struktur der Cellulose, so dass ein winziges, kristallines Material erzeugt wurde – mit etwa 100 Nanometern rund 1.000-mal dünner als ein menschliches Haar. An beiden Enden ist die Nanocellulose mit haarähnlichen Celluloseketten bedeckt, sogenannte anionische haarige Cellulose-Nanokristalle (AHCNC).
Anschließend wurde das Material in eine wasserbasierte Lösung mit gelösten Neodym- und Dysprosiumionen gegeben, um zu testen, ob die Nanocellulose die Metalle durch Adsorption selektiv trennen kann. Bei diesem Prozess zieht die Oberfläche Ionen aus der Flüssigkeit an und hält sie fest. Die AHCNC zeigten den Forschern zufolge ein einzigartiges Verhalten: Die chemisch modifizierten Ketten in den „Haaren“ schrumpften deutlich, ein Hinweis auf die spezifische Empfindlichkeit gegenüber Dysprosium.
Dies sei das erste, ihm bekannte cellulosebasierte Adsorptionsmaterial, das eine selektive Trennung von schweren und leichten Seltenerdelementen ermögliche, erklärt Studienleiter Amir Sheikhi.
Die Forscher wollen ihren Ansatz nun für den praktischen Einsatz in Fabriken und Laboren in den USA weiterentwickeln und auf die Isolierung weiterer Seltenerdelemente sowie kritischer Mineralien ausdehnen.
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