Seltene Erden im Einsatz gegen Abgase

von | 13. Juni 2022 | Technologien

Künstliche Materialien auf Basis Seltener Erden könnten einen bedeutenden Beitrag gegen Luftverschmutzung leisten und schädlichem Sauren Regen vorbeugen.

Sie schädigen die Umwelt, gefährden die Gesundheit und gelten als Hauptursache für Sauren Regen: Die Abgase Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid. Sie entstehen überwiegend bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie Kohle und Öl. Mithilfe von Seltenen Erden ist es Forschenden in den USA nun gelungen, die Schadstoffe aufzuspüren und abzufangen.

Das Projekt ist eine Zusammenarbeit des Oak Ridge National Laboratory (ORNL), der Sandia National Laboratories (SNL) und der University of Tennessee; Grundlage der Technologie, über die das Forschungsteam  in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces berichtet, bildet die Stoffklasse der MOFs (von „metal-organic frameworks“, zu Deutsch metall-organische Gerüstverbindungen). Diese künstlichen Netzwerke bestehen aus Metallionen oder Metallclustern, die durch organische Moleküle, die „Linker“, verbunden sind. Sie besitzen eine offene, hochporöse Struktur mit einer enorm großen inneren Oberfläche: Die Menge an MOFs, die in eine Hosentasche passt, würde in ausgebreiteter Form ein ganzes Fußballfeld bedecken, heißt es in der Mitteilung des ORNL. Wie ein Schwamm können sie daher große Mengen an Gas speichern und leicht wieder abgeben. Das eröffnet zahlreiche Einsatzgebiete von CO2-Filtern bis hin zu Wasserstofftransport und Medizin. 

Defekt hilft bei der Bekämpfung giftiger Gase

Um geeignete Materialien zur Bekämpfung von Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid zu finden, untersuchte das Forschungsteam eine Reihe von MOFs aus der gesamten Familie der Seltenerdmetalle. Ausgerechnet ein Defekt, den sie dabei entdeckten, könnte sich als besonders nützlich erweisen, um Emissionen zu filtern oder gefährliche Mengen giftiger Gase zu erkennen. Insbesondere bei MOFs aus Europium-Ionen knickt der Linker bisweilen ab und legt das Seltenerd-Ion frei. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Schadstoffmolekül in der Struktur verfängt. Anhand von Experimenten stellten die Wissenschaftler fest, dass diese Abweichungen absichtlich herbeigeführt werden können und dass sich die betreffenden MOFs schneller formten als ihre „fehlerfreien“ Gegenstücke.

Obwohl die neuen Erkenntnisse eher im Bereich der Grundlageforschung angesiedelt seien, könnten sie in Zukunft große Auswirkungen haben, glaubt das Forschungsteam, und zur Begrenzung von Emissionen aus großen Industrieanlagen beitragen.

Nicht minder spannend ist auch ein weiteres potenzielles Anwendungsfeld für MOFs auf Basis Seltener Erden: Wissenschaftler der kanadischen Concordia University haben die Multitalente erfolgreich eingesetzt, um hochgefährliche Chemiewaffen zu entschärfen.

Photo: iStock/Hramovnick.

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