Zeldzame aardmetalen zijn onmisbaar voor veel technische producten, van smartphones, laptops, batterijen, elektromotoren en windturbines tot katalysatoren. In het tijdschrift Angewandte Chemie , heeft een Japans team nu een moleculaire "kooi" met "doppen" geïntroduceerd die kunnen worden gebruikt om bepaalde zeldzame aardmetaalionen selectief te "insluiten" voor isolatie of recycling.

De zeldzame-aarde-elementen omvatten 17 metalen:scandium, yttrium, lanthaan en de lanthaniden, de 14 elementen die volgen na lanthaan in het periodiek systeem, inclusief neodymium en europium. De naam is misleidend omdat de zeldzame aardmetalen eigenlijk niet zeldzaam zijn. Ze zijn overal in het milieu, maar zijn sterk verspreid en gebonden in mineralen ("aarden"); grote deposito's zijn zeldzaam. Het terugwinnen van deze elementen uit elektronisch afval wordt steeds belangrijker. Er zijn enkele micro-organismen ontdekt die enzymen met zeldzame aardmetalen bevatten. Deze kunnen nuttig zijn bij extractie en terugwinning en bieden inspiratie voor het gebruik van zeldzame aardmetalen als katalysatoren.

Zeldzame aardmetaalionen worden ook aangetroffen in waterlichamen en in afvalwater. Ze zijn echter moeilijk afzonderlijk te scheiden van waterige oplossingen. Een reden hiervoor is dat ze meestal gehydrateerd zijn, wat betekent dat ze gebonden zijn aan watermoleculen. Hun hydratatietoestand is verschillend en kan veranderen. Dit maakt identificatie en isolatie van de ionen door binding aan liganden moeilijker.

Een team onder leiding van Makoto Fujita aan de Universiteit van Tokio en het Instituut voor Moleculaire Wetenschap is er nu in geslaagd om de gehydrateerde vormen van driewaardige ionen van een reeks zeldzame aardmetalen in gesloten "kooien" te "beperken". Elk kooimolecuul bestaat uit vier organische liganden in de vorm van driehoekige "platen" die door hun uiteinden zijn verbonden met zes palladiumionen om een ​​octaëdrische kooi te maken met twee grote openingen. Het zeldzame-aardmetaal-ion past in de kooi met zijn negen gebonden watermoleculen. Het kritieke kenmerk van de kooi zijn de twee "doppen" die de openingen bedekken. Dit zijn vlakke moleculen met drie negatief geladen bindingsarmen die via waterstofbruggen aan de watermoleculen van het zeldzame-aardmetaalion binden. Bovendien worden ze stevig vastgehouden door elektrostatische interacties met de positief geladen palladiumionen in de kooi.

Niet alle zeldzame aardmetaalionen worden even goed opgevangen door dit systeem. Subtiele verschillen in hun stralen en geprefereerde hydratatiewijzen bepalen hoe goed ze in de kooien passen:lanthaan en de vroege lanthaniden, zoals europium, zijn aanzienlijk sterker gebonden dan de latere lanthaniden, zoals ytterbium. Scandium heeft bijvoorbeeld maar zes watermoleculen eraan gebonden en kan geen stabiele positie in de kooi vinden. Het wordt dus nauwelijks op zijn plaats gehouden.

Opsluiting van hydrofiele metaalsoorten in een gesloten holte zou een benadering kunnen zijn voor de isolatie van zeldzame aardmetalen, evenals voor de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren analoog aan metaalbevattende enzymen (metallozymen) in micro-organismen. + Verder verkennen

Compost naar computer:biogebaseerde materialen die worden gebruikt om zeldzame aardelementen te redden