Zusammenfassung:
Forscher an der University of Illinois in Urbana-Champaign haben ein neues Extraktionsmolekül entwickelt, das direkt mit Strom betrieben werden kann, um wertvolle Metalle aus Elektroschrott, Bergbaulogistik und Industrieabfällen zurückzugewinnen und die Abhängigkeit traditioneller Prozesse von chemischen Reagenzien erheblich zu reduzieren. Diese Forschung könnte den Metallrecyclingprozess sauberer, einfacher und energieeffizienter machen.
Dieses Forschungsergebnis unter der Leitung von Su Xiao, Professorin für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Schule, wurde in „ACS Energy Letters“ veröffentlicht. Das Forschungsteam hatte zuvor im Jahr 2024 eine kontinuierliche elektrochemisch vermittelte Flüssig-Flüssig-Extraktionstechnologie, e-LLE, zur Rückgewinnung von Gold aus Elektroschrott vorgeschlagen. Die Technologie zeigt, dass Elektrizität die großen Mengen an Säuren und Basen ersetzen kann, die typischerweise bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion erforderlich sind. Die Flüssig-Flüssig-Extraktion ist eine weit verbreitete Technik zur Trennung und Reinigung von Metallen, doch die damaligen Systeme erforderten noch zusätzliche chemische Reagenzien, um den gesamten Extraktionszyklus abzuschließen.
Diesmal eliminierten die Forscher diesen verbleibenden chemischen Schritt, indem sie das Extraktionsmolekül selbst modifizierten. Sie entwarfen ein multifunktionales Molekül, das Metallionen selektiv bindet, eine permanente Ladung aufweist und in der zur Extraktion verwendeten organischen Phase stabil ist. Da das Molekül seine eigene elektrische Ladung trägt, können Forscher seine Reaktion direkt mit Elektrizität steuern, wodurch die bisher notwendigen Zwischenreagenzien entfallen.
Die im neuen Molekül eingebaute permanente Ladung fungiert als Elektrolyt und macht die Flüssigkeit leitfähig, sagte Postdoktorandin Deborah Schmidt, Mitautorin der Arbeit. Daher können Redoxreaktionen eher durch Elektrizität als durch Chemikalien angetrieben werden. Sie weist darauf hin, dass diese Arbeit die vollständige Elektrifizierung eines industriellen Trennprozesses ermöglicht, der stark auf chemischen Reagenzien beruht.
Su Xiao sagte: „Dies ist das erste Mal, dass wir die elektrochemische Lösungsmittelextraktion so durchführen, wie wir es uns einst vorgestellt haben. Wir laden das Molekül auf, es bindet das Metall und bringt es in die organische Phase und setzt das Metall dann durch Elektrizität frei.“
Durch die direkte Ansteuerung des Prozesses mit Strom kann der Chemikalienverbrauch um ein bis zwei Größenordnungen gesenkt werden, während gleichzeitig der Extraktionszyklus vereinfacht wird. Der Ersatz von Zwischenreagenzien durch Elektrizität könnte theoretisch sowohl den Chemieabfall als auch den Energieverbrauch reduzieren.
In Labortests verwendeten Forscher das Molekül, um selektiv Gold aus Sickerwasser von Elektroschrott zurückzugewinnen. Das sogenannte Sickerwasser ist eine Lösung, die durch das Auflösen von Edelmetallen in Elektronikaltgeräten entsteht. Gold ist die erste Demonstration dieser Forschung, aber das größere Ziel des Teams besteht darin, eine Reihe molekularer Designprinzipien zu etablieren, um elektroaktive Extraktionsmittel für andere Trennungsherausforderungen zu entwickeln.
Adryjek Aguda, Mitautor der Arbeit und Doktorand, sagte, dass dieses System an die selektive Rückgewinnung einer Vielzahl hochwertiger Metalle angepasst werden kann, beispielsweise die Rückgewinnung von Metallen der Platingruppe aus verbrauchten Autokatalysatoren und die Rückgewinnung mehrerer Schlüsselelemente aus Rückständen oder anderen komplexen Rohstoffen. Da die elektrochemische Plattform selbst im Wesentlichen unverändert bleibt, können Forscher die chemische Struktur des Extraktionsmittels anpassen, um je nach Anwendungsbedarf verschiedene Metalle anzusprechen.
Su Xiao sagte, dass diese Forschung einen grundlegenden Weg zum Verständnis und Entwurf solcher Systeme eröffnet. Im nächsten Schritt wird sich das Team darauf konzentrieren, die Entwicklung dieser Technologie für Anwendungen im industriellen Maßstab voranzutreiben, gleichzeitig weitere molekulare Designlösungen zu entwickeln und eine Zusammenarbeit bei Computermodellierung und künstlicher Intelligenz anzustreben, um das Screening und die Entdeckung neuer Extraktionsmittel zu beschleunigen.
Su Xiao sagte, dass dieser Erfolg zeigt, dass die Elektrochemie das Potenzial hat, eine skalierbare, abfallarme Trenntechnologie bereitzustellen und die Menschen dazu zu bewegen, darüber nachzudenken, wie Metalle auf sauberere, vollständig elektrifizierte Weise recycelt werden können, da kritische Mineralressourcen und Fragen der Lieferkette immer mehr Beachtung finden.
Das Forschungspapier trägt den Titel „Direct Electrification of Liquid-Liquid Extraction by Imparting Fixed Charges to Selective Redox Active Compounds“ und wurde am 7. Juli 2026 in „ACS Energy Letters“ veröffentlicht. Der DOI ist 10.1021/acsenergylett.6c01434. Die Forschung wurde von der Basic Energy Sciences Division und dem Separation Sciences Program des Office of Science des US-Energieministeriums unter der Projektnummer DE-SC0025636 finanziert.
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