MO - FR 10 - 18 UHR

Die Platingruppenmetalle (PGM)

Natürlich vorkommendes Platin und platinhaltige Legierungen sind seit langem bekannt. Die Spanier nannten das Metall "platina" oder "little silver", als sie es zum ersten Mal in Kolumbien entdeckten. Sie betrachteten Platin als eine unerwünschte Verunreinigung des Silbers, das sie abbauten.

Geschichte

Obwohl platinhaltige Goldartefakte bereits auf 700 v. Chr. datiert wurden, ist das Vorhandensein dieses Metalls eher zufällig als absichtlich. Im 16. Jahrhundert berichteten Jesuiten über graue, dichte Kieselsteine in Verbindung mit alluvialen Goldvorkommen. Diese Kieselsteine konnten nicht allein geschmolzen werden, sondern legierten sich mit Gold und verfälschten es so sehr, dass die Goldbarren brüchig wurden und sich nicht mehr raffinieren ließen. Die Kieselsteine wurden als platina del Pinto bekannt, d. h. als Körnchen aus silbrigem Material aus dem Fluss Pinto, einem Nebenfluss des Flusses San Juan in der Region Chocó in Kolumbien. Verformbares Platin, das nur durch Reinigung zu einem im Wesentlichen reinen Metall gewonnen werden kann, wurde erstmals im Jahr 1789 von dem französischen Physiker P.F. Chabaneau hergestellt; es wurde zu einem Kelch verarbeitet, der Papst Pius VI. überreicht wurde.

Die Entdeckung des Palladiums wurde im Jahr 1802 von dem englischen Chemiker William Wollaston gemeldet, der es nach dem Asteroiden Pallas benannte. Wollaston behauptete später die Entdeckung eines weiteren Elements, das in Platinerz vorkommt; er nannte es Rhodium, nach der rosa Farbe seiner Salze. Die Entdeckung von Iridium (benannt nach Iris, der Göttin des Regenbogens, wegen der bunten Farbe seiner Salze) und Osmium (vom griechischen Wort für "Geruch", wegen des chlorähnlichen Geruchs seines flüchtigen Oxids) wurde im Jahr 1803 von dem englischen Chemiker Smithson Tennant gemeldet. Die französischen Chemiker Hippolyte-Victor Collet-Descotils, Antoine-François Fourcroy und Nicolas-Louis Vauquelin identifizierten die beidenMetalle etwa zur gleichen Zeit. Ruthenium, das letzte Element, das isoliert und identifiziert wurde, erhielt 1844 von dem russischen Chemiker Karl Karlovich Klaus einen Namen, der auf dem latinisierten Wort für Russland basiert.

Einführung

Die Platingruppenmetalle (PGM) bestehen aus sechs Elementen, in der Reihenfolge ihres zunehmenden Atomgewichts: Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Osmium (Os), Iridium (Ir) und Platin (Pt). Die Elemente haben alle eine silbrig-weiße Farbe - mit Ausnahme von Osmium, das bläulich-weiß ist. Jedes dieser Metalle ist selten und sehr wertvoll. Sie haben alle ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften, da es sich um hochgradig unreaktive silbrig-weiße Metalle handelt. Die größten Vorkommen befinden sich im Bushveld-Eruptivkomplex in Südafrika, gefolgt von denen im russischen Ural und im Sudbury-Becken in Kanada. Diese Metalle haben einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und einzigartige katalytische Eigenschaften. Seit 1979 hat sich die Automobilindustrie zum Hauptabnehmer von Platinmetallen entwickelt. Aufgrund dieser Eigenschaften werden PGMs in vielen industriellen Bereichen eingesetzt, vor allem als Autoabgaskatalysatoren, in denen schädliche unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide vollständig verbrannt werden, wobei weniger schädliche Gase - Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf - entstehen; eine weitere wichtige Quelle ist das Recycling von ausrangierten Katalysatoren.

Die jährliche Produktion von Platinmetallen ist jedoch viel geringer als die von Gold oder Silber wobei die weltweite Produktion der wichtigsten Platinmetalle,Platin (Pt) und Palladium (Pd), nur etwa 200 Tonnen pro Jahr beträgt. Infolgedessen sind diese Platinmetalle kostbar und recht teuer. Der Wasserstoffoxidationskatalysator mit der höchsten Aktivität ist Platin (oder seine Legierungen), und er wird in den meisten Wasserstoff-Sauerstoff-PEM-Brennstoffzellen verwendet. Aus PGM hergestellte Teile werden häufig durch eine Beschichtungstechnologie ergänzt. Edelmetallpulver, Titannitrid oder Iridiumoxid werden aufgetragen, um eine porösere Oberflächenstruktur zu schaffen. Durch die Schaffung einer porösen Beschichtung wird die elektrische Impedanz zwischen dem Kabel und der Batterie verringert und eine gute elektrische Verbindung ermöglicht, während gleichzeitig der Energiebedarf für den Betrieb der Batterie verringert wird. Dies trägt zu einer längeren Lebensdauer der Batterie bei. Es werden jedoch weiterhin Anstrengungen unternommen, um bessere und kostengünstigere Katalysatoren zu finden.

Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften der sechs Platinmetalle sind sehr unterschiedlich. Platin und Palladium sind eher weich und sehr dehnbar; diese Metalle und die meisten ihrer Legierungen können warm oder kalt bearbeitet werden. Rhodium wird zunächst warm bearbeitet, kann aber später durch häufiges Glühen kalt bearbeitet werden. Iridium lässt sich ebenso wie Ruthenium warm bearbeiten, allerdings mit Schwierigkeiten; beide Metalle lassen sich nicht nennenswert kalt bearbeiten. Osmium ist das härteste Metall der Gruppe und hat den höchsten Schmelzpunkt, aber seine leichte Oxidierbarkeit ist eine Einschränkung. Iridium ist das korrosionsbeständigste der Platinmetalle, während Rhodium wegen der Beibehaltung seiner Eigenschaften bei hohen Temperaturen geschätzt wird.

Weitere Verwendung der Platingruppenmetalle

Die Verarbeitung von Platin zu feinem Schmuck begann um 1900, aber obwohl diese Anwendung auch heute noch wichtig ist, wurde sie bald von industriellen Anwendungen verdrängt. Platin wird in der chemischen Produktion und der Erdölraffination, für elektronische Kontakte und Elektroden sowie für Labor-, Glas- und zahnmedizinische Geräte verwendet. Es ist Bestandteil einiger Chemotherapeutika (Cisplatin, Carboplatin) und wird bei der Herstellung von Silikonkautschuk und Gelkomponenten medizinischer Implantate (z.B. Brustimplantate und Gelenkprothesen) verwendet. Eine breite Palette von PGM-Legierungszusammensetzungen wird für Niederspannungs- und Niederenergiekontakte, Dick- und Dünnschichtschaltungen, Thermoelemente und Ofenkomponenten sowie Elektroden verwendet. Katalysatoren auf Platinbasis werden bei der Raffination von Rohöl, der Reformierung und anderen Verfahren zur Herstellung von hochoktanigem Benzin und aromatischen Verbindungen für die petrochemische Industrie eingesetzt.

Vorkommen

Die Platingruppenmetalle (PGM) kommen in der Regel gemeinsam vor und werden daher auch gemeinsam gefördert. Ihr Verhältnis hängt von der Lage des Erzes ab. Platin kommt in etwa 0,01 ppm in der Erdkruste vor. Die wichtigsten Formen sind Sperrylit, Cooperit, Braggit und als native Metalle in Platiniridium und Palladiplatin. Die Erze und Metalle finden sich in Seifenlagerstätten, die aus basischem/ultrabasischem Eruptivgestein stammen. In Sediment- und Eruptivgestein ist das Platin mit Chromit, Magnetit, Ilmenit, Iridium und Osmium verbunden. Die PGM-Lagerstätten im Merensky-Riff in Südafrika sind mit Eisen-, Nickel- und Kupfererzen vergesellschaftet. Die gesamte PGM-Konzentration im Erz liegt im Bereich von 4-10 ppm. In Kanada ist das Sudbury-Gebiet in Ontario die wichtigste Quelle für Platinmetalle, die dort als Nebenprodukt der Nickel- und Kupferproduktion anfallen. Die Lagerstätten im Uralgebirge und in Ostsibirien in Russland werden als Nebenprodukt der Nickelproduktion gewonnen. Palladium hat in der Erdkruste eine Konzentration von etwa 0,005 ppm. Neben Cooperit und Braggit kommt Palladium auch als Potarit oder Stibiopalladinit oder als natives Palladium vor. Das Verhältnis von Platin zu Palladium variiert je nach Fundort, aber zusammen machen diese beiden Metalle etwa 90 % der Platinmetalle aus. Russland ist der größte Palladiumproduzent, gefolgt von Kanada und Südafrika. Die Erze in Russland enthalten etwa 30 % Platin und 60 % Palladium, während die Erze in Kanada 43 % Platin und 43 % Palladium und in Südafrika etwa 64 % Platin und 26 % Palladium enthalten.

Gewinnung und Raffination

Die chemische Trennung der Platingruppenmetalle ist eine der komplexesten und schwierigsten Metalltrennungen. Das klassische Verfahren zur Abtrennung der Platinmetalle beginnt mit einem Mineralkonzentrat. Dieses Konzentrat wird mit Königswasser gelaugt, wodurch Platin und Palladium gelöst werden und die anderen Metalle als Feststoffe im Laugenrückstand zurückbleiben. Das Platin wird mit Ammoniumchlorid aus der Lösung ausgefällt, und das so entstandene rohe Platinsalz wird durch Filtration gewonnen und anschließend erhitzt, um es in eine pulverförmige metallische Form zu zerlegen. Das Metall wird erneut in Königswasser gelöst, dann mit Ammoniumchlorid wieder ausgefällt und zu reinem Metall gebrannt. Das Palladium, das bei der Ausfällung des Platins in Lösung blieb, wird nun durch Zugabe von Ammoniak ausgefällt. Nachdem die Palladiumsalze durch Filtration gewonnen wurden, werden sie erneut aufgelöst und ausgefällt, um ein reines Salz zu bilden, das in der Regel durch chemische Reduktion mit Ameisensäure in die metallische Form überführt wird. Der Rückstand, der bei der Auslaugung des ursprünglichen Mineralkonzentrats übrig bleibt, enthält Rhodium, Iridium, Ruthenium und Osmium. Dieser wird mit geschmolzenem Natriumbisulfat behandelt, um das Rhodium in Rhodiumsulfat umzuwandeln.

 Das Rhodium wird dann durch Wasserauslaugung gelöst, von den unlöslichen Bestandteilen getrennt und durch Reduktion mit Zinkpulver aus der Lösung ausgefällt. Das rohe Rhodiummetallprodukt wird durch Behandlung mit Chlor und Natriumchlorid bei hoher Temperatur in ein lösliches Salz umgewandelt, in Wasser aufgelöst, mit Natriumnitrit ausgefällt, gefiltert, erneut aufgelöst und mit Ammoniumchlorid wieder ausgefällt. Dieser letzte Niederschlag wird zu einem reinen Metallpulver reduziert. Der Rückstand aus der Rhodiumsulfatlaugung wird mit Alkalinitratsalzen verschmolzen, um Ruthenium in lösliches Natriumruthenat umzuwandeln. Nach der Filtration wird die Natriumruthenatlösung mit Chlorgas behandelt, um das Ruthenium in Form der flüchtigen Verbindung Rutheniumtetroxid abzudestillieren. Das rutheniumhaltige Destillat wird dann mit Reduktionsmitteln behandelt, um das Ruthenium als feines Metallpulver auszufällen. Osmium wird auf ähnliche Weise gewonnen, obwohl es im Gegensatz zu Ruthenium auch durch Destillation aus sauren Lösungen gewonnen werden kann. Der endgültige Rückstand wird mit Natriumperoxid behandelt, um Iridium in eine salzsäurelösliche Form umzuwandeln, aus der es mit Ammoniumchlorid ausgefällt und zu Metallpulver calciniert werden kann.