Une approche plus efficace et respectueuse de l’environnement pour extraire des éléments de terres rares qui alimentent tout, des batteries de véhicules électriques aux smartphones pourraient augmenter l’approvisionnement intérieur et réduire la dépendance à des importations coûteuses.
Cette nouvelle méthode, développée par des chercheurs de l’Université du Texas à Austin, permet de séparer et d’extraire ces éléments à la demande où il n’est pas possible aujourd’hui, ouvrant de nouvelles avenues pour rassembler des éléments de terres rares au milieu des tensions commerciales mondiales.
«Les éléments des terres rares sont l’épine dorsale des technologies avancées, mais leur extraction et leur purification sont à forte intensité énergétique et extrêmement difficiles à mettre en œuvre à l’échelle requise», a déclaré Manish Kumar, professeur à la Cockrell School of Engineering Fariborz Maseeh Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering et au McKetta Department of Chemical Engineering. «Notre travail vise à changer cela, inspiré par le monde naturel.»
La recherche a récemment été publiée dans ACS Nano. Les chercheurs ont développé des canaux de membrane artificielle – des pores de terne intégrés dans les membranes – qui imitent les mécanismes de transport sélectifs des protéines de transport trouvés dans les systèmes biologiques. Ces canaux sont les routes utilisées par différents ions pour voyager entre les cellules.
Chaque canal est différent, ne laissant que les ions avec certaines caractéristiques à travers tout en empêchant les autres. Cette sélectivité est essentielle à de nombreux processus biologiques, y compris la façon dont nos cerveaux pensent.
Les canaux artificiels des chercheurs utilisent une version modifiée d’une structure appelée Pillararene pour améliorer leur capacité à lier et à bloquer les ions communs spécifiques tout en transportant des ions de terres rares spécifiques. Le résultat est un système qui peut transporter sélectivement les éléments des terres rares moyennes, telles que l’Europium (Eu³⁺) et le terbium (TB³⁺), tout en excluant d’autres ions comme le potassium, le sodium et le calcium.
« La nature a perfectionné l’art du transport sélectif à travers des membranes biologiques », a déclaré Venkat Ganesan, professeur au département de génie chimique de McKetta et l’un des leaders de la recherche. « Ces canaux artificiels sont comme de minuscules gardiens, permettant uniquement aux ions souhaités de passer. »
Les éléments de terres rares sont divisés en plusieurs classes (légers, moyens et lourds), chacun avec différentes propriétés qui les rendent idéales pour des applications spécifiques. Les éléments moyens sont utilisés dans l’éclairage et les écrans, y compris les téléviseurs, et comme aimants dans les technologies d’énergie verte, telles que les éoliennes et les batteries de véhicules électriques.
Le ministère américain de l’Énergie et la Commission européenne ont identifié plusieurs éléments intermédiaires, notamment Europium et Terbium, comme des matériaux critiques à risque de perturbation de l’offre. La demande pour ces éléments devrait croître de plus de 2600% d’ici 2035, trouver des moyens durables de les extraire et de recycler est plus urgent que jamais.
Dans les expériences, les canaux artificiels ont montré une préférence de 40 fois pour l’Europium sur Lanthanum (un élément de terres rares léger) et une préférence 30 fois pour l’Europium sur Ytterbium (un élément de terres rare).
En utilisant des simulations informatiques avancées, ils ont découvert que la sélectivité des canaux est entraînée par des interactions uniques médiées par l’eau entre les ions de terres rares et le canal. Ces interactions permettent aux canaux de se différencier entre les ions en fonction de leur dynamique d’hydratation – comment les molécules d’eau entourent et interagissent avec les ions.
Kumar et son équipe travaille sur cette recherche depuis plus de cinq ans. Il est un expert en séparations à base de membrane, appliquant également ces connaissances à la génération d’eau propre.
Les chercheurs envisagent que leur technologie soit intégrée dans des systèmes membranaires évolutifs à usage industriel. L’objectif est de faciliter la réalisation de séparations d’ions aux États-Unis, en utilisant l’énergie propre.
Ils travaillent sur une plate-forme pour ces canaux qui permet aux utilisateurs de sélectionner une variété d’ions à rassembler. Cela pourrait inclure d’autres minéraux critiques comme le lithium, le cobalt, le gallium et le nickel.
Il s’agit d’une première étape vers la traduction des stratégies sophistiquées de reconnaissance moléculaire et de transport de la nature dans des processus industriels robustes, apportant ainsi une sélectivité élevée dans les contextes où les méthodes actuelles échouent », a déclaré Harekrushna Behera, un associé de recherche dans le laboratoire de Kumar qui a travaillé sur le projet.
L’équipe comprend des chercheurs du Département de génie civil, architectural et environnemental de Fariborz, le département de génie chimique du McKetta et le Département de chimie du Collège des sciences naturelles. Ce sont: Tyler J. Duncan, Laxmicharan Samineni, Hyeonji Oh, Ankit Jogdand, Arnav Karnik, Raman Dhiman, Aida Fica, Tzu-yun Hsieh.
