Seltene Erden – Eigenschaften, Herausforderungen und Potenziale

Seltene Erden – häufig verbreitet

Der Name Seltene Erden stammt aus der Zeit ihrer ersten Gewinnung, in der man davon ausging, dass die Metalle dieser Gruppe sehr selten seien. Tatsächlich, das weiß man heute, kommen einige von ihnen, etwa Cer, sogar sehr häufig vor. Die Bezeichnung Erden geht ebenfalls auf diese Zeit zurück, in der Seltene Erden nur als Oxide aus bestimmten Materialien gewonnen werden konnten. Erden ist eine alte Bezeichnung für Oxide.

Ein Glück, dass das Vorkommen der Seltenen Erden, anders als es ihre Bezeichnung vermuten lässt, gar nicht so selten ist. Denn sie sind äußerst wichtige Rohstoffe für unser modernes, hochtechnologisches Leben. Noch nie war die Nachfrage nach Seltenerdmetallen (engl.: rare earth elements, REEs) so hoch, da sie eine wichtige Ressource in der Herstellung von Unterhaltungselektronik, Smartphones, optischen Displays, Leuchtmitteln, Hochleistungsmagneten und Batterien sowie bei der Katalyse, für Elektromotoren sowie in der Luft- und Raumfahrt als auch in medizinischen Anwendungen darstellen.

Superkräfte für die Industrie

Cer – Cer findet eine breite Anwendung: Es erhöht die Festigkeit und Dehnbarkeit in Aluminium-Legierungen, färbt Glas und Emaille; sorgt in Pyrophore-Cer-Legierungen für den Funkensprung in Feuerzeugen oder Gasanzündern und kommt auch in UV-Filtern für Spezialgläser sowie Windschutzscheiben zum Einsatz.

Lanthan – Lanthan wird von der Glasindustrie vor allem zur Produktion hochwertiger Kameralinsen eingesetzt. Es findet sich außerdem in Zündsteinen wieder.

Neodym – zunächst aufgrund seiner starken Ähnlichkeit zu Lanthan Didym genannt (griech.: Zwilling), wird vor allem in Form der Legierung Neodym-Eisen-Bor für starke Permanentmagnete verwendet.

Praseodym – erhielt seinen Namen aufgrund seiner grünen Färbung (griech.: prásinos, bedeutet „grün“) und seiner Ähnlichkeit zu Didym. Damit wurde es zum weiteren Zwilling vom bereits bestehenden Zwillingspaar Didym und Lanthan, weshalb Didym in Neodym (Neuer Zwilling) umbenannt wurde. Praseodym wird in Legierungen mit Magnesium zur Herstellung von hochfestem Metall für Flugzeugmotoren verwendet sowie in Legierungen mit Cobalt und Eisen als starker Dauermagnet. Ebenso wie Cer kommen Praseodym-Verbindungen beim Färben von Glas und Emaille zum Einsatz (zum Beispiel für grün gefärbte Scheinwerfergläser). Da Praseodym-Verbindungen auch die UV-Absorption verbessern, werden sie bei der Herstellung von Augenschutzgläsern beim Schweißen genutzt. Praseodym-Ion Pr3+ wird zudem als Dotant für Lasermedien in Feststofflasern verwendet. 

Scandium – benannt nach der Heimat seines Entdeckers Lars Frederik Nilson, gehört Scandium zu den seltenen Elementen. Es kommt nicht elementar vor, sondern nur in einigen seltenen Mineralen in angereicherter Form. Die Nutzung des tatsächlich seltenen Oxids ist dafür umso weitreichender: In Hochdruck-Quecksilberdampflampen, die etwa zur Stadionbeleuchtung eingesetzt werden. Denn zusammen mit Holmium und Dysprosium erzeugt Scandium ein dem Tageslicht sehr ähnliches Licht. Darüber hinaus wird Scandium auch zur Herstellung von Laserkristallen genutzt. In magnetischen Datenspeichern steigert Scandium die Geschwindigkeit.

Terbium – Terbium wird zum Dotieren von Calciumfluorid, Calciumwolframat und Strontiummolybdat für die Verwendung in Halbleitern (engl.: solid-state devices) verwendet. Es dient darüber hinaus zusammen mit Zirconium(IV)-Oxid zur Gefügestabilisierung in Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Natriumterbiumborat dient als Lasermaterial zur Erzeugung von kohärentem Licht mit einer Wellenlänge von 546 nm. Terbium wird außerdem dem grünen Leuchtstoff in Bildröhren und Fluoreszenzlampen zugesetzt.

Yttrium – ist nach seinem ersten Fundort, der Grube Ytterby bei Stockholm, benannt, so wie auch Ytterbium, Erbium und Terbium. Seine Anwendungsmöglichkeiten sind enorm: Yttrium-Keramiken und -Legierungen finden Einsatz in Lambda-Sonden, Supraleitern, DS-Legierungen und Zündkerzen. Die oxidischen Yttriumverbindungen dienen als Beschichtungsmaterial für Glühstrümpfe, als Laserkristall, als Mikrowellenfilter als Festelektrolyt in Brennstoffzellen (engl.: Solid Oxide Fuel Cell, SOFC). Eine große Bedeutung kommt den Yttriumoxiden und Yttriumoxid-Sulfiden auch in mit dreiwertigem Europium (rot) und Thulium (blau) dotierten Luminophoren (Leuchtstoffen) in Fernsehbildröhren und Leuchtstofflampen zu. Durch eine Legierung mit Cobalt YCo5 kann Yttrium auch als Seltenerdmagnet genutzt werden. Zu guter Letzt dient Yttrium als Material für Heizdrähte in Ionenquellen von Massenspektrometern.

Diese Auswahl zeigt, wie bedeutend die Seltenen Erden für uns sind.

Welche Analysetechnik für welche Applikation?

Die Analytik Jena deckt mit ihrer ICP-OES-(Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) und ICP-MS-(Massenspektrometrie mittels induktiv gekoppelten Plasmas) Technik den umfassenden Analyse-Prozess von Seltenen Erden auf hocheffektive und effiziente Weise ab.

Wenngleich die ICP-MS und die ICP-OES erfolgreiche Methoden zur Analyse von REEs zur Verfügung stellen, haben diese mit einigen Hürden zu kämpfen: Eine ungünstige REO-Bildung im Plasmaschweif und starke spektrale Interferenzen aufgrund der großen Zahl an Emissionslinien beeinträchtigen die Nachweisbarkeit von REE durch ICP-MS oder ICP-OES.

Die Lösungen: Ein High-Resolution Array ICP-OES, das PlasmaQuant 9100 Elite, zur Auflösung möglicher spektraler Interferenzen und eine hochempfindliche ICP-MS Lösung, das PlasmaQuant MS Elite, mit einer effizienten Beseitigung polyatomarer Interferenzen.

Zusammenfassung

Mit dem hochauflösenden Spektrometer des PlasmaQuant 9100 Elite und dem hochwirksamen Interferenzmanagement des PlasmaQuant MS Elite lassen sich Seltene Erden besonders störungsfrei und somit zuverlässig quantifizieren. Durch ihre hohe Empfindlichkeit und niedrige Nachweisgrenzen decken sie den kompletten Konzentrationsbereich ab und überzeugen mit ihrer Präzision.