Muscheln inspirieren ein Öko

Die einzigartige und bemerkenswerte Fähigkeit von Muscheln, an Unterwasseroberflächen wie Felsen zu haften, hat zu einer neuen, effizienteren und umweltfreundlicheren Methode zur Gewinnung wichtiger Seltenerdelemente geführt. Bildnachweis: Zur Verfügung gestellt vom Sheikhi Lab/Penn State. Alle Rechte vorbehalten.

9. August 2023

Von Jamie Oberdick

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Es gibt ein Rätsel um Seltene Erden (REE). Sie spielen eine Schlüsselrolle bei sauberer Energie und sind für die Herstellung leichter, effizienter Batterien und wesentlicher Komponenten in Windkraftanlagen von entscheidender Bedeutung. Umgekehrt wirft die konventionelle Gewinnung dieser Elemente Umweltprobleme auf, die von der Zerstörung von Lebensräumen über Wasser- und Luftverschmutzung bis hin zum hohen Energieaufwand für die Gewinnung und Verarbeitung dieser Elemente reichen.

Um dieses Dilemma zu lösen, fanden Forscher der Penn State eine Inspiration unter dem Meer: Muschelklebrigkeit. Durch die Nachahmung dieses natürlichen Klebstoffs entwickelten die Forscher eine neue, von Muscheln inspirierte Nanozellulosebeschichtung (MINC), die eine ihrer Meinung nach „bemerkenswerte, sogar überraschende“ Fähigkeit zur Rückgewinnung von REEs aus Sekundärquellen wie Industrieabwässern ohne großen Energieaufwand demonstriert hat .

Sie veröffentlichten die Arbeit am 31. Juli in ACS Applied Materials and Interfaces. Es wird im September auf der Titelseite der Zeitschrift erscheinen.

Muscheln haben dank der Hafteigenschaften von Catechol-basierten Molekülen, die in Muschelproteinen enthalten sind, eine bemerkenswerte Fähigkeit, unter Wasser an Oberflächen zu haften. Der MINC spiegelt dies wider, indem er aus ultrawinzigen haarigen Cellulose-Nanokristallen mit einzigartigen klebrigen Eigenschaften besteht. Der MINC wird über eine Technik namens Dopamin-vermittelte Ad-Layer-Bildung auf ein Substrat aufgetragen. Eine chemische Reaktion ermöglicht es dem MINC, eine dünne Molekülschicht auf einer Oberfläche zu bilden, wodurch er auf einer Vielzahl von Substraten haften kann.

„Der MINC-Ansatz bietet eine nachhaltige und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Extraktionsmethoden, minimiert den ökologischen Fußabdruck und trägt zur langfristigen Verfügbarkeit kritischer Elemente bei“, sagte Hauptautor Amir Sheikhi, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen und Biomedizintechnik. mit freundlicher Genehmigung.

Die Forscher konzentrierten sich auf die Anwendung von MINC zur Gewinnung eines bestimmten REE, Neodym. Das US-Energieministerium hat Neodym aufgrund von Lieferengpässen und seiner großen Auswirkungen auf neue nachhaltige Technologien wie Batterien für Elektroautos und Magnete, die in Antriebssystemen für Elektrofahrzeuge und Windkraftanlagen verwendet werden, als kritisches Material eingestuft. Der „seltene“ Teil der Seltenerdelemente trifft jedoch insbesondere auf Neodym zu, da der Mangel an extraktionsfertigem Angebot dieses kritischen Elements die Gewinnung aus sekundären Quellen wie dem industriellen Abwasserrecycling erzwingt. Laut Sheikhi kann dies sowohl ineffizient als auch energieintensiv sein.

„Das begrenzte weltweite Angebot an Neodym und die Umweltauswirkungen der aktuellen Extraktionsmethoden erfordern die Entwicklung umweltfreundlicher und nachhaltiger Ansätze zur REE-Gewinnung“, sagte Sheikhi und erklärte, dass bei herkömmlichen Extraktionstechniken erhebliche Mengen giftiger Chemikalien wie Kerosin zum Einsatz kommen das Zielelement reinigen. „Frühere Methoden zur Extraktion seltener Erden verwendeten Adsorptionsmittel wie Alginatgele, Phosphor-Sol-Gel-Materialien, Nanoröhren und porösen Kohlenstoff, aber diese Techniken zeigen eine begrenzte Effizienz.“

Amir Sheikhi, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen und Biomedizintechnik, mit freundlicher Genehmigung (links) und Dawson Alexander, ein Bachelor-Forscher der Sheikhi Research Group, der zusammen mit Sheikhi Co-Autor des in ACS Applied Materials and Interfaces veröffentlichten Artikels war . Bildnachweis: Sheikhi Research Group. Alle Rechte vorbehalten.

Die MINC-Beschichtung ist für Neodym das, was ein Magnet für Eisen ist. Sie zieht das REE aus dem Wasser, selbst wenn das Element nur in Mengen von nur wenigen Teilen pro Million vorhanden ist.

„Die Herausforderung bei der Gewinnung von Neodym besteht darin, eine effiziente und selektive Entfernung von Neodym bei niedrigen Konzentrationen zu erreichen“, sagte Sheikhi. „Der in dieser Studie vorgestellte MINC bietet eine verbesserte Selektivität und Kapazität für die Entfernung von Neodym und überwindet damit die Einschränkungen früherer Methoden.“

Diese Selektivität ermöglicht es MINC, die Rückgewinnung unerwünschter Elemente wie Natrium und Kalzium zu vermeiden, die laut Sheikhi Zeit und Energie verschwenden würden, wenn sie gefiltert werden müssten, um das Neodym weiter zu verfeinern.

„Die Öffentlichkeit und die Gesellschaft werden von dieser Arbeit profitieren, da das Potenzial für eine erhöhte Verfügbarkeit von Neodym besteht, einem entscheidenden Element nicht nur für die Entwicklung sauberer Energietechnologien, sondern auch für die Entwicklung neuer medizinischer und elektronischer Geräte“, sagte Sheikhi und merkte an, dass er eine Untersuchung plant wie die MINC-Methode zur Gewinnung anderer REEs funktionieren könnte. „Durch die Bereitstellung einer nachhaltigen und effizienten Methode zur Neodymrückgewinnung trägt diese Forschung zur Weiterentwicklung dieser Technologien bei und trägt dazu bei, Bedenken hinsichtlich der Versorgungsknappheit auszuräumen, und wird wiederum die Möglichkeit erhöhen, diese Technologie in Zukunft auf andere REE-Rückgewinnungsbemühungen zu übertragen.“

Zu den weiteren Autoren des Papiers aus Sheikhis Team gehören neben Sheikhi Shang-Lin Yeh, Doktorandin im Chemieingenieurwesen; Dawson Alexander, Student im Chemieingenieurwesen; Naveen Narasimhalu, Studentin im Chemieingenieurwesen; und Roya Koshani, Postdoktorandin im Chemieingenieurwesen. Diese Forschung wurde durch das Green Student Seed Grant-Programm der Energy and Environmental Sustainability Laboratories und das Diefenderfer Graduate Fellowship in Entrepreneurship des Penn State College of Engineering unterstützt.

Jamie Oberdick

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