Chemisches Chamäleon entdeckt neuen Weg zur Trennung von Seltenerdmetallen

Forscher am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums der USA haben ein chemisches „Chamäleon“ entdeckt, das den Reinigungsprozess von Seltenerdmetallen verbessern könnte, die in den Bereichen saubere Energie, Medizin und nationale Sicherheit zum Einsatz kommen.

Die in Zusammenarbeit mit der Vanderbilt University durchgeführte Studie ist die jüngste von zahlreichen Bemühungen der Abteilung für chemische Wissenschaften des ORNL, die Hürden für den Zugang zu Metallen namens Lanthanoide zu senken, die in vielfältigen Produkten und Anwendungen eingesetzt werden, von der biomedizinischen Bildgebung über die industrielle chemische Produktion bis hin zur Elektronik. Es gibt 15 Lanthanoide, und sie werden zusammen mit zwei anderen Elementen als Seltenerdmetalle bezeichnet.

Die Forschung ist veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society.

Anders als ihr Name vermuten lässt, sind die meisten Seltenerdmetalle tatsächlich nicht selten; Lanthanoide kommen in der Natur in Erzlagerstätten vor und viele sind in der Umwelt so häufig wie Kupfer und Blei. Die starken Eigenschaften der Metalle, die ihre weitverbreitete Verwendung bewirken, sind jedoch nur dann wirksam, wenn ein einzelnes Lanthanoid beim Abbau aus der Mischung anderer Metalle, in der es vorhanden ist, getrennt wird. Das ausgewählte Metall muss bis zu einem hohen Grad gereinigt werden, bevor es für seine beabsichtigte Anwendung nützlich wird. Die Seltenheit liegt in der Schwierigkeit dieses Prozesses.

„Das ist eine große Herausforderung, weil die Lanthanidionen in ihrer Größe und ihren chemischen Eigenschaften sehr ähnlich sind“, sagte Subhamay Pramanik, ehemaliger Postdoc am ORNL und jetzt Radiochemiker in der Nanomaterialchemie-Gruppe des ORNL. „Sie unterscheiden sich nur geringfügig, sodass die Isolierung reiner einzelner Lanthanidionen eine sehr präzise Trenntechnik erfordert.“

Um ein bestimmtes Metall aus Seltenerdminerallösungen zu isolieren, verwenden Wissenschaftler und Industrie Liganden – chemische Verbindungen, die sich selektiv an ein bestimmtes Metall in der Lösung binden. Diese Verbindungen werden in ein organisches Lösungsmittel eingemischt und dann mit einer wasserbasierten Lösung der Lanthanidmischung vermischt.

Wie Öl vermischen sich organische Lösungsmittel nicht mit Wasser, daher trennen sich die Schichten. Wenn die Verbindung beim Mischen erfolgreich das Zielmetall aus der Lösung schnappt, zieht sie das Metall in die organische Schicht, wenn sich Lösungsmittel und wässrige Lösung trennen. Dann kann das Metall verarbeitet und weiter gereinigt werden.

Die besten derzeit industriellen Trennverfahren laufen stufenweise ab, wobei die Lanthanoide in einer bestimmten Reihenfolge getrennt werden – schwer zu leicht oder leicht zu schwer. Der Prozess ist zeitaufwändig und teuer und erzeugt viel Abfall, der nicht immer umweltfreundlich ist.

Und nun kommt das Chamäleon. Bei der Untersuchung eines bestehenden Liganden, der den im oben genannten Verfahren verwendeten Verbindungen ähnelt, entdeckten Wissenschaftler etwas Einzigartiges: einen Liganden, der sich je nach den experimentellen Bedingungen unterschiedlich verhält.

So wie ein Chamäleon seine Farbe ändert, um sich seiner Umgebung anzupassen, ändert die Verbindung ihr Verhalten, wenn sich die Umgebung um sie herum ändert. Sie bindet sich an verschiedene Lanthanoide, je nach Säurekonzentration der Lösung und der Zeit, die der Ligand mit ihr interagieren darf. Wenn die Umgebung beispielsweise saurer ist, bindet der Ligand bevorzugt an ein schwereres Lanthanoid.

„In typischen Trennsystemen zeigt ein Ligand normalerweise eine Vorliebe für entweder leichtere oder schwerere Lanthanoide“, sagte Santa Jansone-Popova vom ORNL, die die Studie mitleitete. „Wir haben herausgefunden, dass man mit derselben Verbindung mehrere verschiedene Trennungen durchführen kann, was aufregend und einzigartig ist. Und wir haben die Mechanismen identifiziert, mit denen dies geschieht.“

Die Verwendung derselben Verbindung zur Trennung mehrerer verschiedener Lanthanoide in der Serie könnte die Anzahl der erforderlichen Schritte in diesem üblichen und kostspieligen Verfahren verringern. Darüber hinaus könnte der Ligand in dieser Studie je nach den Bedingungen die schwersten, leichtesten und mittelschweren Lanthanoide trennen – in beliebiger Reihenfolge.

Andere Liganden zeigen dieses Verhalten nicht. Bislang wussten Wissenschaftler jedoch auch nicht, dass dieser Ligand dieses Verhalten zeigen würde. Der Chamäleon-Ligand sieht anderen gut etablierten Liganden ähnlich, weist aber ein völlig anderes Verhalten auf. Da nun bekannt ist, dass solche Fähigkeiten und Systeme für Lanthanoid-bindende Verbindungen existieren, kann der Ligand eingehender untersucht werden und es könnten weitere Verbindungen mit ähnlichem Verhalten entdeckt werden.

„Nur weil die Struktur eines Liganden einem anderen sehr ähnlich sieht, muss er sich nicht unbedingt gleich verhalten, und dieses Verständnis bringt die Dinge voran und erweitert die Grenzen des bisher Bekannten“, sagte Ilja Popovs vom ORNL, der die Studie mit leitete. „Es hat das Potenzial, die Trennprozesse schneller, sauberer und besser zu machen – die Anzahl der Stufen zu reduzieren, eine bessere Selektivität und Reinheit zu bieten und zu umweltfreundlicheren Prozessen zu führen.“