Mot en bærekraftig energifremtid: Kritiske metaller og MOFSORBMETs rolle
Den globale overgangen til ren, ressurseffektiv og bærekraftig energi går raskt fremover. Men denne omstillingen er ikke mulig uten pålitelig tilgang til kritiske metaller. Elementer som litium, kobolt, nikkel og platina er uunnværlige i batterier, vind- og solenergi, brenselceller og viktige industrielle kjemiske prosesser. I dag utvinnes disse metallene hovedsakelig fra malm, noe som medfører to store utfordringer: betydelig miljøpåvirkning fra gruvedrift og sårbarhet i forsyningskjedene på grunn av geopolitisk ustabilitet. Resirkulering kan være en løsning, men utgjør i dag kun en liten del av metallforsyningen, hovedsakelig fordi teknologien krever mye energi og kjemikalier.
MOFSORBMET tar tak i denne utfordringen ved å utvikle avanserte nanomaterialer for adsorpsjonsforbedret gjenvinning av kritiske metaller fra gruveavfall og andre avfallsstrømmer. Målet vårt er å redusere bruken av kjemikalier og energi i dagens industrielle gjenvinnings- og resirkuleringsprosesser. Økt gjenvinning og resirkulering av metaller støtter ikke bare veksten av ren energiteknologi, men styrker også forsyningssikkerheten gjennom prinsippene for sirkulær økonomi.
I samarbeid med Universitetet i Bergen og den industrielle rådgiveren Glencore Nikkelverk, fokuserer MOFSORBMET på å utvikle og demonstrere nanomaterialer for selektiv gjenvinning og separasjon av kritiske metaller – inkludert litium, kobolt, nikkel, mangan og platinagruppemetaller. Prosjektet har som mål å løfte teknologien fra TRL 2 til TRL 4, og demonstrere gjenvinning av minst to kritiske metaller fra to ulike kilder med over 90 % utbytte og mer enn 95 % renhet.
Viktige resultater fra MOFSORBMET
Banebrytende bruk av MOF-er i krevende miljøer: Før MOFSORBMET var bruken av metall-organiske rammeverk (MOF-er) for metallseparasjon i svært sure og komplekse løsninger lite utforsket. Siden prosjektets oppstart har interessen for denne tilnærmingen økt, noe som bekrefter prosjektets relevans.
Utvikling av nye materialer:
Ved Universitetet i Stavanger (UiS) har vi utviklet et nytt MOF, UiS-1, med sulfosyregrupper for ioneseparasjon, katalyse og ledningsevne. Både zirkonium- og hafnium-varianter er fremstilt ved hjelp av grønne syntesemetoder. MOF-808 ble funksjonalisert med en ny modulator for sølvgjenvinning fra solcelleavfall.
Ved hjelp av operando-karakterisering har vi fått innsikt i reagensernes rolle i MOF-syntese og utviklet flere nye MOF-er basert på vannbasert, miljøvennlig syntese.
Vi har også utforsket nye etter-syntetiske modifikasjoner for å innføre metallbindende funksjonaliteter.
Vår partner ved UiB har utviklet nye organiske linker-molekyler for MOF-er og metallseparasjon.
Kjemisk stabilitet i MOF-er:
Kjemisk stabilitet er avgjørende for praktisk bruk, spesielt i sure løsninger. Vi har systematisk undersøkt MOF-ers stabilitet ved eksponering for både simulerte og reelle løsninger, og fått verdifull innsikt i deres strukturelle integritet under krevende forhold.
Metallseparasjon:
Flere kjente og nye MOF-er er testet for litiumgjenvinning , separasjon av nikkel og kobolt fra batteriavfall , sølvgjenvinning fra solcelleavfall ) og adsorpsjon av radionuklider fra gruvevann.
Vi har identifisert pH-verdien som en avgjørende faktor i kombinasjon med MOF for å oppnå selektiv separasjon, spesielt for nikkel og kobolt.
MOF-808 modifisert med tiol viste svært høy sølvopptakskapasitet (360 mg/g) og selektivitet overfor Al³, en viktig konkurrerende ion i solcelleavfall. Denne MOF-en kunne hente ut 100 % av sølvet fra simulert løsning.
MOF-808 funksjonalisert med et kompleksdannende middel viste selektiv adsorpsjon av nikkel over kobolt ved bestemte pH-verdier.
Flere MOF-er oppnådde litiumopptak på nivå med kommersielt tilgjengelige adsorbenter.
Avansert karakterisering:
Vi har brukt European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) til å karakterisere de nye materialene utviklet i prosjektet og til å studere metallopptak i MOF-er.
The draft under results report 4 provides a detailed overview of all project outcomes. One of the key achievements has been gaining in-depth knowledge about the chemical stability requirements for MOFs (Objective 1). Stability tests conducted across various leachates and pH conditions have enabled us to identify promising MOF candidates for metal recovery.
Furthermore, the use of functional modulators for selective silver adsorption, the strategic tuning of pH to optimize nickel and cobalt separation, and the development of porous materials with a high density of metal-binding groups directly address Objectives 2 and 3 of the MOFSORBMET project. These advances contribute significantly to enhancing the performance and applicability of MOFs in real-world recovery and recycling processes.
MOFsorbMET has educated and trained several master's and bachelor's thesis students on critical metal separation using adsorbent, deepening the project's impact on education. The detailed list is in the special report attachment.
Collaborations:
MOFsorbMET has helped to establish international and national collaboration. We have established a research collaboration with NOAH AS, the Central Mining Institute of Poland, CSIR National Metallurgy Laboratory of India (signed MOU), and the Institute for Energy Norway to verify the MOFsorbMET-developed material systems to recover metal separation in various streams.
The collaboration with the Institute for Energy has strengthened the research activity at UiS. Besides guidance on silver recovery and supplying real leachate samples, IFE has been a crucial partner in supporting analysis of metal uptake. IFE-UiS, in collaboration, has successfully secured the pre-infrastructure grant ESSENTIAL- minerals and metals for sustainable and circular growth. MOFsorbMET project has also enabled us to join the FME battery-Center for next-generation and improved circular sustainable battery technology value chain coordinated by IFE and NTNU.
A low carbon future relies on the share of clean energy technologies (Solar PV, wind, geothermal, hydro battery) in the energy sector. The clean energy technology is mineral intensive and with its growth, demand for critical metals is growing exponentially. Therefore, increasing the recovery and recycling of critical metals offers a double win, securing metal supply for clean energy development and reducing the environmental impact from mining and waste pollution.
The MOFsorbMet project is investigating Metal-organic frameworks (MOFs) based technology that has high potential to offer increase metal recovery while reducing the energy and chemicals used for the recovery process. MOFs are crystalline, solid, porous materials build from metal ion or metal-oxo cluster bridged by multi-dentate organic linker forming 3D network structure. Recently, IUPAC has announced MOFs among the top 10 emerging technologies.
The methodology behind the project is realized in 3 interlinked research blocks: MOF development, MOF characterization and MOF testing. These research blocks are supported by 4 technical work packages (WPs):
WP1-Synthesis and functionalization of MOFs,
WP2- Synthesis of functional linkers,
WP3-MOFs Characterization-adsorption site and mechanism
WP4. Testing and demonstration of MOF for critical metal recovery.
The goal of the project is to identify, develop and demonstrate the use of MOFs for the recovery and separation of critical metals. These include lithium, cobalt, nickel, manganese, rare earth metals (REE) and platinum group metals (PGMs). To our knowledge, this is the first project where the development of MOFs to recover critical metals from leachate produced in different metallurgy (solvo-, hydro- and Bio-metallurgy) processes is undertaken. MOFsorbMET project targets the development of technology from TRL 2 to TRL 4, demonstrating recovery of at least two critical metals from two different sources with recovery over 90% and purity over 95% (O4).
