de.wedoany.com-Bericht: Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering der Universität Chicago (University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering) haben eine neue Methode entwickelt, mit der aus einer Lösung mit einem Natrium-Lithium-Verhältnis von 1000:1 Lithium mit einer Reinheit von 99% selektiv extrahiert werden kann. Die Methode basiert auf dem Verfahren der elektrochemischen Interkalation, das häufig in den Bereichen Batterien und Superkondensatoren eingesetzt wird, bei dem durch Anlegen eines elektrischen Stroms Ionen in die schichtartige Struktur eines anderen Materials eingebettet werden.
Bei der Anwendung dieser Technik zur Materialextraktion aus Wasser entsteht ein Zwangsbeschickungsfilter, der mithilfe von elektrischem Strom positiv geladene Lithiumionen durch mikroskopische Kanäle zieht. Allerdings lassen diese Kanäle nicht nur Lithiumionen, sondern auch andere Ionen wie Natrium passieren. Das Forschungsteam entdeckte, dass das Verhalten von Lithiumionen beim Durchqueren der Ionenkanäle des Schichtmaterials (in dieser Studie Kobaltoxid) durch ein Wechselspiel zwischen zwei Kräften gesteuert wird. Diese Entdeckung stellt nicht nur einen Fortschritt in der reinen Wissenschaft dar, sondern weist auch den Weg für die Entwicklung neuer praktischer Extraktionstechniken.
Dr. Grant Hill, Erstautor der Studie und ehemaliger PME-Doktorand der Universität Chicago (Jahrgang 2024), erklärte, das Ziel des Teams sei die Entwicklung von Materialien, die Lithium selektiv von anderen Salzen trennen können. Der Hauptkonkurrent Natrium sei Lithium in Bezug auf Ladung und Größe chemisch sehr ähnlich. Lithium ist ein Schlüsselmaterial für die Batterieindustrie, doch die derzeit vorherrschenden Extraktionsmethoden, wie das Rösten von Spodumen mit großen Mengen Säure oder das Anlegen riesiger Salzpfannen zum Abpumpen und Verdampfen von Grundwasser, sind nicht umweltfreundlich genug.
Chong Liu, außerordentlicher Professor an der PME der Universität Chicago und korrespondierender Autor der Studie, wies darauf hin, dass während des Extraktionsprozesses stets zwei parallele Reaktionen ablaufen: eine, die durch die Ladung angetrieben wird und beim Anlegen von Strom an das Material auftritt, und eine andere, bei der das Material auf natürliche Weise ein Gleichgewicht anstrebt. Hill verglich die Ionenkanäle mit einer von Parkplätzen umgebenen Autobahn. Wenn Natriumionen eingefügt werden, drücken sie auf benachbarte Lithiumplätze, sodass der „Parkplatz" der lithiumaffinen Regionen gefüllt wird. Um diese Herausforderung zu meistern, mussten die Forscher die Partikelgröße der Lithiumionen optimieren und ein Gleichgewicht zwischen den beiden konkurrierenden Reaktionen finden. Bei diesen beiden Reaktionen handelt es sich um den durch den Strom angetriebenen Interkalationsprozess (den Verkehr auf der Autobahn) und den Ionenaustauschprozess, bei dem Natrium- und Lithiumionen ein Gleichgewicht suchen (die Geschwindigkeit, mit der Ionen in den Parkplatz gelangen).
Die Studie zeigt, dass der Gleichgewichtsprozess mit seiner eigenen Geschwindigkeit abläuft, die Forscher jedoch die Geschwindigkeit des Ionenpumpens steuern können. Dies bedeutet, dass die „Geschwindigkeit" der ersten Reaktion auf drei Optionen eingestellt werden kann: schneller, langsamer oder gleich schnell wie die zweite Reaktion. Chong Liu erklärte, dass sich diese drei Zustände grundlegend unterscheiden. Nur wenn dem Ionenaustausch genügend Zeit gegeben wird, um mit der Interkalation Schritt zu halten, erhält man ein hochgradig reversibles Materialverhalten. Die Forschung ergab, dass das langsame Einfügen von Ionen und das Finden der idealen Partikelgröße der Schlüssel zur Erzielung dieser Reversibilität sind.
