Schaarse metalen zijn te vinden in een breed scala aan alledaagse voorwerpen om ons heen. Ze zijn moeilijk te extraheren, moeilijk te recyclen en zo zeldzaam dat een aantal ervan "conflictmineralen" zijn geworden die conflicten en onderdrukking kunnen bevorderen. Een onderzoek aan de Chalmers University of Technology toont nu aan dat er potentiële op technologie gebaseerde oplossingen zijn die veel van de metalen kunnen vervangen door koolstofnanomaterialen, zoals grafeen.

Ze zijn te vinden op uw computer, op je mobiele telefoon, in bijna alle andere elektronische apparatuur en in veel van de kunststoffen om je heen. De samenleving is sterk afhankelijk van schaarse metalen, en deze afhankelijkheid heeft veel nadelen.

Schaarse metalen zoals tin, zilver, wolfraam en indium zijn beide zeldzaam en moeilijk te extraheren omdat de werkbare concentraties erg klein zijn. Dit zorgt ervoor dat de metalen zeer gewild zijn - en hun winning is een voedingsbodem voor conflicten, zoals in de Democratische Republiek Congo, waar ze gewapende conflicten financieren.

In aanvulling, ze zijn moeilijk winstgevend te recyclen omdat ze vaak in kleine hoeveelheden aanwezig zijn in verschillende componenten, zoals elektronica.

Rickard Arvidsson en Björn Sandén, onderzoekers in de analyse van milieusystemen aan de Chalmers University of Technology, hebben nu een alternatieve oplossing onderzocht:de schaarse metalen vervangen door koolstofnanomaterialen. Deze stoffen - waarvan grafeen de bekendste is - zijn sterke materialen met een goede geleidbaarheid, zoals schaarse metalen.

"Nu heeft de technologische ontwikkeling ons in staat gesteld om meer gebruik te maken van het gemeenschappelijke element koolstof, ", zegt Sandén. "Tegenwoordig zijn er veel nieuwe koolstofnanomaterialen met vergelijkbare eigenschappen als metalen. Het is een welkome nieuwe track, en het is belangrijk om voortaan te investeren in zowel recycling als vervanging van schaarse metalen."

De onderzoekers van Chalmers hebben de belangrijkste toepassingen van 14 verschillende metalen bestudeerd, en door octrooien en wetenschappelijke literatuur te herzien, hebben ze de mogelijkheid onderzocht om ze te vervangen door koolstofnanomaterialen. De resultaten geven een uniek overzicht van onderzoek en technologische ontwikkeling in het veld.

Volgens Arvidsson en Sandén laat de samenvatting zien dat er al een verschuiving plaatsvindt van het gebruik van schaarse metalen naar koolstofnanomaterialen.

"Er zijn potentiële op technologie gebaseerde oplossingen voor het vervangen van 13 van de 14 metalen door koolstofnanomaterialen in hun meest voorkomende toepassingen. De technologische ontwikkeling bevindt zich in verschillende stadia voor verschillende metalen en toepassingen, maar in sommige gevallen, zoals indium en gallium, de resultaten zijn veelbelovend, ', zegt Arvidsson.

"Dit biedt hoop, ", zegt Sandén. "In het debat over middelenbeperkingen, circulaire economie en maatschappelijke omgang met materialen, de focus ligt al lang op recycling en hergebruik. Substitutie is een potentieel alternatief dat nog niet in dezelfde mate is onderzocht en naarmate de problemen met hulpbronnen dringender worden, we hebben nu meer tools om mee te werken."

De onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in de Journal of Cleaner Production . Arvidsson en Sandén benadrukken dat er aanzienlijke potentiële voordelen zijn van het verminderen van het gebruik van schaarse metalen, en ze hopen de pleidooien voor meer onderzoek en ontwikkeling in het veld te kunnen versterken.

"Stel je voor dat je schaarse metalen kunt vervangen door koolstof, "Sandén zegt. "Het extraheren van de koolstof uit biomassa zou een natuurlijke kringloop creëren."

"Aangezien koolstof zo'n algemeen en gemakkelijk verkrijgbaar materiaal is, het zou ook mogelijk zijn om de conflicten en geopolitieke problemen in verband met deze metalen te verminderen, ', zegt Arvidsson.

Tegelijkertijd wijzen ze erop dat er meer onderzoek nodig is in het veld om eventuele nieuwe problemen op te lossen die kunnen ontstaan ​​als de schaarse metalen worden vervangen.

"Koolstof nanomaterialen zijn slechts een relatief recente ontdekking, en tot dusverre is de kennis over hun milieu-impact vanuit een levenscyclusperspectief beperkt. Maar over het algemeen lijkt er een potentieel te zijn voor een lage milieu-impact, ', zegt Arvidsson.

Feiten:

Koolstof nanomaterialen bestaan ​​uitsluitend of hoofdzakelijk uit koolstof, en zijn sterke materialen met een goede geleidbaarheid. Verschillende schaarse metalen hebben vergelijkbare eigenschappen. De metalen worden gevonden, bijvoorbeeld, bij kabels, dunne schermen, brand vertragende middelen, corrosiebescherming en condensatoren.

Rickard Arvidsson en Björn Sandén van de Chalmers University of Technology hebben onderzocht of de koolstof nanomaterialen grafeen, fullerenen en koolstofnanobuisjes hebben het potentieel om 14 schaarse metalen te vervangen in hun belangrijkste toepassingsgebieden (zie tabel in bijgevoegde afbeelding). Ze vonden potentiële op technologie gebaseerde oplossingen om de metalen te vervangen door koolstofnanomaterialen voor alle toepassingen behalve goud in sieraden. De metalen die we het dichtst kunnen vervangen, zijn indium, gallium, beryllium en zilver.