Há um enigma em torno dos elementos de terras raras (REE). Eles desempenham um papel fundamental na energia limpa, pois são vitais para a produção de baterias leves e eficientes e componentes essenciais em turbinas eólicas. Por outro lado, a extração convencional desses elementos levanta preocupações ambientais que vão desde a destruição do habitat até a poluição da água e do ar e a alta quantidade de energia necessária para extrair e processar esses elementos.

Para resolver esse dilema, os pesquisadores da Penn State encontraram inspiração no fundo do mar: a viscosidade do mexilhão. Ao imitar essa cola natural, os pesquisadores desenvolveram um novo revestimento de nanocelulose inspirado em mexilhão (MINC) que demonstrou o que eles chamam de capacidade "notável, até surpreendente" de recuperar REEs de fontes secundárias, como águas residuais industriais, sem usar uma grande quantidade de energia. .

A equipe publicou o trabalho em 31 de julho na ACS Applied Materials and Interfaces . Ele será destaque na capa da revista em setembro.

Os mexilhões têm uma capacidade notável de aderir a superfícies subaquáticas graças às propriedades adesivas das moléculas à base de catecol encontradas nas proteínas dos mexilhões. O MINC reflete isso ao consistir em nanocristais de celulose peludos ultra-pequenos com propriedades pegajosas exclusivas. O MINC é aplicado a um substrato por meio de uma técnica chamada formação de camada ad mediada por dopamina. Uma reação química permite que o MINC forme uma fina camada de moléculas em uma superfície, tornando-o capaz de aderir a uma ampla gama de substratos.

"A abordagem MINC oferece uma alternativa sustentável e ecologicamente correta aos métodos convencionais de extração, minimizando a pegada ambiental e contribuindo para a disponibilidade a longo prazo de elementos críticos", disse o principal autor Amir Sheikhi, professor assistente de engenharia química e de engenharia biomédica, por cortesia.

Os pesquisadores se concentraram na aplicação do MINC para extrair um REE específico, o neodímio. O Departamento de Energia dos EUA listou o neodímio como um material crítico devido à escassez de suprimentos e seu alto impacto em tecnologias sustentáveis emergentes , como baterias de carros elétricos e ímãs usados ??em sistemas de energia para veículos elétricos e turbinas eólicas.

No entanto, a parte "rara" dos elementos de terras raras é especialmente verdadeira com o neodímio, pois a falta de suprimento pronto para extração desse elemento crítico força a extração dele de fontes secundárias, como a reciclagem de águas residuais industriais. Isso pode ser ineficiente e intensivo em energia, de acordo com Sheikhi.

"O suprimento global limitado de neodímio e o impacto ambiental dos métodos de extração atuais exigem o desenvolvimento de abordagens ecológicas e sustentáveis para a recuperação de REE", disse Sheikhi, explicando que as técnicas convencionais de extração usam quantidades significativas de produtos químicos tóxicos, como querosene, para purificar o elemento alvo.

"Métodos anteriores de extração de terras raras utilizaram adsorventes como géis de alginato, materiais sol-gel de fósforo, nanotubos e carbono poroso, mas essas técnicas demonstram eficiência limitada."

O revestimento MINC é para o neodímio o que um ímã é para o ferro, puxando o REE para fora da água, mesmo quando o elemento está presente apenas em quantidades tão limitadas quanto partes por milhão.

"O desafio na extração de neodímio está em conseguir uma remoção eficiente e seletiva em baixas concentrações", disse Sheikhi. "O MINC apresentado neste estudo oferece maior seletividade e capacidade de remoção de neodímio, superando as limitações dos métodos anteriores."

Essa seletividade permite que o MINC evite a recuperação de elementos indesejados como sódio e cálcio, que Sheikhi disse que desperdiçariam tempo e energia se tivessem que ser filtrados para refinar ainda mais o neodímio.

“O público e a sociedade se beneficiarão deste trabalho através do potencial de maior disponibilidade de neodímio, um elemento crucial não apenas para o desenvolvimento de tecnologias de energia limpa , mas também para a criação de novos dispositivos médicos e eletrônicos ”, disse Sheikhi, observando que planeja investigar como o método MINC pode funcionar para extrair outros REEs.

“Ao fornecer um método sustentável e eficiente para a recuperação de neodímio , esta pesquisa contribui para o avanço dessas tecnologias e ajuda a abordar as preocupações com a escassez de suprimentos e, por sua vez, aumentará a possibilidade de traduzir essa tecnologia para outros esforços de recuperação de REE no futuro”.