Kunstmatige membraankanalen maken een efficiëntere zeldzame extractie van aardelementen mogelijk

Een efficiëntere en milieuvriendelijke aanpak voor het extraheren van zeldzame aardelementen die alles van elektrische voertuigbatterijen tot smartphones voeden, kan de binnenlandse levering vergroten en de afhankelijkheid van kostbare import verminderen.

Deze nieuwe methode, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin, maakt het scheiden en extraheren van deze veelgevraagde elementen waar het vandaag niet mogelijk is, nieuwe wegen openen voor het verzamelen van zeldzame aardelementen te midden van wereldwijde handelsspanningen.

“Zeldzame aardelementen zijn de ruggengraat van geavanceerde technologieën, maar hun extractie en zuivering zijn energie-intensief en uiterst moeilijk te implementeren op de vereiste weegschaal,” zei Manish Kumar, professor aan de Cockrell School of Engineering’s Fariborz Maseeh Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering en het McKetta Department of Chemical Engineering. “Ons werk is bedoeld om dat te veranderen, geïnspireerd door de natuurlijke wereld.”

Het onderzoek is gepubliceerd in ACS nano. De onderzoekers ontwikkelden kunstmatige membraankanalen – kleine poriën ingebed in membranen – die de selectieve transportmechanismen van transporteiwitten nabootsen in biologische systemen. Deze kanalen zijn de wegen die door verschillende ionen worden gebruikt om tussen cellen te reizen.

Elk kanaal is anders en laat alleen ionen met bepaalde kenmerken door, terwijl ze anderen buiten houden. Die selectiviteit is van cruciaal belang voor veel biologische processen, waaronder hoe onze hersenen denken.

De kunstmatige kanalen van de onderzoekers gebruiken een gemodificeerde versie van een structuur genaamd Pillararene om hun vermogen om specifieke gemeenschappelijke ionen te binden en te blokkeren te verbeteren, terwijl specifieke zeldzame aardionen worden getransporteerd. Het resultaat is een systeem dat selectief Midden -zeldzame aardelementen kan vervoeren, zoals europium (EU³⁺) en terbium (tb³⁺), terwijl andere ionen zoals kalium, natrium en calcium worden uitgesloten.

“De natuur heeft de kunst van selectief transport geperfectioneerd door biologische membranen,” zei Venkat Ganesan, professor aan het McKetta Department of Chemical Engineering en een van de onderzoeksleiders. “Deze kunstmatige kanalen zijn als kleine poortwachters, waardoor alleen de gewenste ionen kunnen passeren.”

Zeldzame aardelementen worden opgesplitst in verschillende klassen (licht, midden en zwaar), elk met verschillende eigenschappen die ze ideaal maken voor specifieke toepassingen. Midden -elementen worden gebruikt in verlichting en displays, inclusief tv’s, en als magneten in groene energietechnologieën, zoals windturbines en batterijen voor elektrische voertuigen.

Het Amerikaanse ministerie van Energie en de Europese Commissie hebben verschillende middelste elementen geïdentificeerd, waaronder Europium en Terbium, als kritieke materialen met risico op verstoring van de levering. Met de vraag naar deze elementen die naar verwachting met meer dan 2.600% zullen groeien tegen 2035, is het vinden van duurzame manieren om ze te extraheren en te recyclen, urgenter dan ooit.

In experimenten vertoonden de kunstmatige kanalen een 40-voudige voorkeur voor europium boven lanthanum (een licht zeldzaam aardelement) en een 30-voudige voorkeur voor europium boven ytterbium (een zwaar zeldzaam aardelement). Deze selectiviteitsniveaus zijn aanzienlijk hoger dan die welke worden bereikt door traditionele op oplosmiddelen gebaseerde methoden die tientallen fasen vereisen om vergelijkbare resultaten te bereiken.

Met behulp van geavanceerde computersimulaties ontdekten ze dat de selectiviteit van de kanalen wordt aangedreven door unieke water-gemedieerde interacties tussen de zeldzame aardionen en het kanaal. Met deze interacties kunnen de kanalen onderscheid maken tussen ionen op basis van hun hydratedynamiek – hoe watermoleculen omringen en interageren met ionen.

Kumar en zijn team werken al meer dan vijf jaar aan dit onderzoek. Hij is een expert in scheidingen op basis van membraan, die die kennis ook toepast op het genereren van water.

De onderzoekers stellen voor dat hun technologie wordt geïntegreerd in schaalbare membranensystemen voor industrieel gebruik. Het doel is om het gemakkelijker te maken om ionenscheidingen in de VS te houden, met behulp van schone energie. Ze werken op een platform voor deze kanalen waarmee gebruikers verschillende ionen kunnen selecteren om te verzamelen. Dit kan andere kritische mineralen zijn zoals lithium, kobalt, gallium en nikkel.

“Dit is een eerste stap in de richting van het vertalen van de geavanceerde moleculaire herkennings- en transportstrategieën van de natuur in robuuste industriële processen, waardoor een hoge selectiviteit wordt gebracht in de omgevingen waar de huidige methoden tekortschieten”, zegt Harekrushna Behera, een onderzoeksmedewerker in Kumar’s Lab die aan het project werkte.

Het team omvat onderzoekers van het Fariborz Maseeh Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering, McKetta Department of Chemical Engineering en het Department of Chemistry van het College of Natural Sciences. Ze zijn: Tyler J. Duncan, Laxmicharan Samineni, Hyeonji OH, Ankit Jogdand, Arnav Karnik, Raman Dhiman, Aida Fica, Tzu-Yun Hsieh.