Bildquelle：https://news.utexas.edu/2025/04/30/rare-earth-element-extraction-bolstered-by-new-research/
AUSTIN, Texas — Ein effizienterer und umweltfreundlicherer Ansatz zur Gewinnung seltener Erden, die für alles von Batterien von Elektrofahrzeugen bis hin zu Smartphones benötigt werden, könnte das Angebot im Inland erhöhen und die Abhängigkeit von kostspieligen Importen verringern.
Eine neue Methode, entwickelt von Forschern der University of Texas in Austin, ermöglicht es, diese begehrten Elemente dort zu trennen und zu gewinnen, wo dies heute nicht möglich ist, und eröffnet neue Wege zur Beschaffung seltener Erden mitten in globalen Handelsstreitigkeiten.
„Seltene Erden sind das Rückgrat fortschrittlicher Technologien, aber ihre Gewinnung und Reinigung sind energieintensiv und äußerst schwierig im erforderlichen Maßstab umzusetzen“, sagte Manish Kumar, Professor im Fariborz Maseeh Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering und im McKetta Department of Chemical Engineering.
„Unsere Arbeit zielt darauf ab, das zu ändern, inspiriert von der Natur.“
Die Forschung wurde kürzlich in ACS Nano veröffentlicht.
Die Forscher entwickelten künstliche Membrankanäle – winzige Poren, die in Membranen eingebettet sind –, die die selektiven Transportmechanismen von Transportproteinen in biologischen Systemen nachahmen.
Diese Kanäle sind die Straßen, die von verschiedenen Ionen genutzt werden, um zwischen Zellen zu reisen.
Jeder Kanal ist anders und lässt nur Ionen mit bestimmten Eigenschaften hindurch, während andere zurückgehalten werden.
Diese Selektivität ist entscheidend für viele biologische Prozesse, einschließlich der Art und Weise, wie unser Gehirn denkt.
Die künstlichen Kanäle der Forscher verwenden eine modifizierte Version einer Struktur namens Pillararene, um ihre Fähigkeit zu verbessern, spezifische häufige Ionen zu binden und zu blockieren, während sie spezifische seltene Erdionen transportieren.
Das Ergebnis ist ein System, das in der Lage ist, mittlere seltene Erdmetalle wie Europium (Eu³⁺) und Terbium (Tb³⁺) selektiv zu transportieren und gleichzeitig andere Ionen wie Kalium, Natrium und Calcium auszuschließen.
„Die Natur hat die Kunst des selektiven Transports durch biologische Membranen perfektioniert“, sagte Venkat Ganesan, Professor im McKetta Department of Chemical Engineering und einer der Forschungsleiter.
„Diese künstlichen Kanäle sind wie winzige Torwächter, die nur die gewünschten Ionen passieren lassen.“
Seltene Erden werden in mehrere Klassen (leichte, mittlere und schwere) unterteilt, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, die sie für spezifische Anwendungen ideal machen.
Mittlere Elemente werden in Beleuchtung und Displays, einschließlich Fernsehern, sowie als Magnete in grünen Energietechnologien, wie Windkraftanlagen und Batterien von Elektrofahrzeugen, eingesetzt.
Das US-Energieministerium und die Europäische Kommission haben mehrere mittlere Elemente, darunter Europium und Terbium, als kritische Materialien identifiziert, die von Versorgungsunterbrechungen bedroht sind.
Da die Nachfrage nach diesen Elementen bis 2035 voraussichtlich um über 2.600 % steigen wird, ist es dringlicher denn je, nachhaltige Wege zur Gewinnung und Wiederverwertung zu finden.
In Experimenten zeigten die künstlichen Kanäle eine 40-fache Vorliebe für Europium gegenüber Lanthan (einem leichten seltenen Element) und eine 30-fache Vorliebe für Europium gegenüber Ytterbium (einem schweren Element).
Diese Selektivitätsstufen sind deutlich höher als die, die mit herkömmlichen lösemittelbasierten Methoden erzielt werden, die Dutzende von Stufen erfordern, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
Durch den Einsatz fortschrittlicher Computersimulationen entdeckten sie, dass die Selektivität der Kanäle durch einzigartige wasservermittelte Wechselwirkungen zwischen den seltenen Erdionen und dem Kanal verursacht wird.
Diese Wechselwirkungen ermöglichen es den Kanälen, zwischen Ionen auf Grundlage ihrer Hydratationsdynamik – wie Wasser molé klaust, um Ionen zu umgeben und mit ihnen zu interagieren – zu unterscheiden.
Kumar und sein Team arbeiten seit mehr als fünf Jahren an dieser Forschung.
Er ist ein Experte für membranbasierte Trennungen und wendet dieses Wissen auch in der sauberen Wassererzeugung an.
Die Forscher stellen sich vor, dass ihre Technologie in skalierbare Membransysteme für industrielle Anwendungen integriert wird.
Das Ziel ist es, die Durchführung von Ionen-Trennungen in den USA zu erleichtern, indem saubere Energie genutzt wird.
Sie arbeiten an einer Plattform für diese Kanäle, die es Nutzern ermöglicht, eine Vielzahl von Ionen zu sammeln.
Dies könnte auch andere kritische Mineralien wie Lithium, Kobalt, Gallium und Nickel umfassen.
„Dies ist ein erster Schritt zur Übersetzung von Natures ausgeklügelten molekularen Erkennungs- und Transportsystemen in robuste industrielle Prozesse, die somit hohe Selektivität in Umgebungen bringen, in denen gegenwärtige Methoden versagen“, sagte Harekrushna Behera, ein Forschungsmitarbeiter in Kumars Labor, der an dem Projekt gearbeitet hat.
Das Team umfasst Forscher aus dem Fariborz Maseeh Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering, dem McKetta Department of Chemical Engineering und dem Department of Chemistry der College of Natural Sciences.