Platin reist per Anhalter mit Schwefel durch die Erdkruste

Platin
Foto : Clément Laskar
Ein 3D-Schnappschuss der molekularen Struktur von gelöstem Platin in hydrothermaler Flüssigkeit, der durch Molekulardynamiksimulationen gewonnen wurde. In Verbindung mit der In-situ-Spektroskopie liefern solche Simulationen Informationen über die atomare Struktur und Stabilität gelöster chemischer Spezies in wässrigen Flüssigkeiten, die kritische Metalle an Erzlagerstätten in der Erdkruste liefern. Wassermoleküle sind als rot-weiße Bumerangs dargestellt; Schwefel-, Platin- und Natriumionen sind als gelbe, braune bzw. rosa Kugeln abgebildet.

Platingruppenelemente (PGE, auch Platinoide genannt) galten bisher als extrem schwer löslich und in natürlichen Fluiden und vielen technischen Lösungsmitteln als wenig mobil. Ein Konsortium französischer Wissenschaftler fand ein Mittel, um Platin in hydrothermalen Lösungen weitaus löslicher und damit hochmobil zu machen, indem sie eine besondere chemische Form von Schwefel, das Trischwefel-Radikalion [S3-]-, verwendeten. Indem es sehr starke chemische Bindungen mit Platin eingeht, wirkt dieses Ion als leistungsfähiges Medium zur Aufnahme, zum Transport und zur Abgabe des Metalls durch schwefelhaltige Flüssigkeiten, die in der Erdkruste zirkulieren. Diese Erkenntnisse erfordern eine Überarbeitung der Modelle für die PGE-Lagerstättenbildung und können dazu beitragen, neue wirtschaftliche PGE-Ressourcen zu identifizieren sowie neue Möglichkeiten zur Optimierung der Erzverarbeitung und der Synthese von Nanomaterialien zu bieten.

Platingruppenelemente (PGE: Pt, Pd, Rh, Ru, Ir und Os) gehören zu den am meist begehrtesten kritischen Metallen, denn sie werden für zahlreiche neue Technologien benötigt, insbesondere in der Automobilindustrie, als katalytische Nanomaterialien oder in der Medizin, wobei die aktuellen Preise für einige von ihnen bis zu zehnmal höher sind als die von Gold (z. B. Rhodium, Rh >520 €/g). Wie Gold sind diese Metalle in der Natur jedoch extrem selten, ihr durchschnittlicher Gehalt in irdischem Gestein liegt unter 1 mg pro Tonne. Wie können sie in der Erdkruste so angereichert werden, dass abbaubare (d. h. wirtschaftlich bedeutsame) Mengen erreicht werden, die mindestens 1000-mal höher sein müssen?

"Die Mechanismen, die die Verteilung und Konzentration von PGE in der Natur steuern, sind noch unzureichend verstanden, insbesondere die Rolle der wässrigen Flüssigkeiten, die in der Erdkruste zirkulieren und Erzlagerstätten anderer Metalle wie Kupfer, Zink, Silber oder Gold bilden. Im Gegensatz zu diesen Metallen ist bekannt, dass PGE in wässrigen Lösungen, die Salz (z. B. als Na+ und Cl-) und Schwefel (als Schwefelwasserstoff, HS-, oder Sulfat, SO42-) enthalten, schlecht löslich sind, obwohl in verschiedenen hydrothermalen Umgebungen in der Erdkruste mehrfach eine erhöhte PGE-Mobilität festgestellt wurde", sagt Gleb Pokrovski, der die Forschung leitete.

Ein Konsortium französischer Teams versuchte, dieses Paradoxon zu lösen, indem es die Faktoren untersuchte, die die Mobilität von Platin, einem der am häufigsten verwendeten Elemente dieser Gruppe, in hydrothermalen Fluiden steuern können. "Wir haben die bisher direkteste verfügbare In-situ-Methode, die Synchrotron-Röntgenabsorptionsspektroskopie, verwendet, mit der wir sowohl die Löslichkeit als auch den molekularen Zustand von Platin in hydrothermalen Modellflüssigkeiten unter kontrollierten Laborbedingungen messen konnten, die denen in der flachen Kruste ähneln (Temperaturen ~300°C, ~2 km Tiefe)", sagt Denis Testemale, einer der Mitautoren der Studie. "Wir haben diese Messungen mit theoretischen Molekulardynamiksimulationen gekoppelt, die es ermöglichen, die genaue Struktur und Zusammensetzung der Platin transportierenden Spezies auf atomarer Ebene einzugrenzen", fügen Elsa Desmaele und Clement Laskar, beide Mitautoren, hinzu. "Solche Flüssigkeiten enthalten überwiegend Chlorid, Sulfat und Sulfid und in viel geringeren Mengen eine weitere schwefelhaltige Verbindung, das so genannte Trischwefel-Radikal-Ion [S3-]-, das von unseren Teams vor einigen Jahren entdeckt, aber in Modellen zur Pt-Löslichkeit in wässrigen Flüssigkeiten bisher ignoriert wurde", sagt Maria Kokh, eine der Koautorinnen. "Unerwarteterweise haben wir herausgefunden, dass diese kleine Schwefelverbindung sehr stark an Pt bindet und dadurch dessen Transport bei Tenoren ermöglicht, die 10.000 Mal höher sind als bei jeder anderen Cl- oder S-haltigen Verbindung", folgert Gleb Pokrovski.

Diese Entdeckung könnte neue Anwendungen in den Geowissenschaften, der Wirtschaftsgeologie und der Nanotechnologie eröffnen. "Die Trisulfur-Radikal-Ionen wirken wie mächtige Fahrzeuge und sind in der Lage, Dutzende bis Hunderte von Gramm Pt pro Kubikmeter Flüssigkeit zu transportieren, wodurch sie eine der grundlegenden Bedingungen für die Bildung von Metallerzlagerstätten erfüllen - das Vorhandensein einer mit Metall angereicherten flüssigen Phase", so Gleb. Die Studie kann daher Wege zur Lokalisierung neuer potenzieller Ressourcen dieses begehrten Metalls aufzeigen. Darüber hinaus könnte die starke Selektivität von [S3-]- für Pt und analog dazu für elektronisch ähnliche Metalle der PGE-Familie (z. B. Pd, Ir) genutzt werden, um die selektive Extraktion dieser Metalle aus Erzen zu verbessern und neue Wege für die Synthese von Nanomaterialien auf PGE-Basis zu erkunden.

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Online-Redaktion

Stefanie Mikulla