L'extraction des terres rares renforcée par de nouvelles recherches
Une méthode plus efficace et plus respectueuse de l'environnement pour extraire les terres rares qui alimentent tout, des batteries de véhicules électriques aux smartphones, pourrait accroître l'offre nationale et réduire la dépendance à l'égard d'importations coûteuses.
Rendu des canaux artificiels.
The University of Texas at Austin
Cette nouvelle méthode, mise au point par des chercheurs de l'université du Texas à Austin, permet de séparer et d'extraire ces éléments très demandés là où ce n'est pas possible aujourd'hui, ce qui ouvre de nouvelles voies pour la collecte des terres rares dans un contexte de tensions commerciales mondiales.
"Les éléments des terres rares constituent l'épine dorsale des technologies de pointe, mais leur extraction et leur purification consomment beaucoup d'énergie et sont extrêmement difficiles à mettre en œuvre à l'échelle requise", explique Manish Kumar, professeur au département Fariborz Maseeh d'ingénierie civile, architecturale et environnementale et au département McKetta d'ingénierie chimique de l'école d'ingénieurs Cockrell. "Notre travail vise à changer cela, en s'inspirant du monde naturel.
La recherche a été récemment publiée dans ACS Nano. Les chercheurs ont mis au point des canaux membranaires artificiels - de minuscules pores intégrés dans les membranes - qui imitent les mécanismes de transport sélectif des protéines de transport présentes dans les systèmes biologiques. Ces canaux sont les voies de circulation utilisées par différents ions pour se déplacer entre les cellules.
Chaque canal est différent et ne laisse passer que les ions présentant certaines caractéristiques, tandis que les autres en sont exclus. Cette sélectivité est essentielle pour de nombreux processus biologiques, y compris la façon dont notre cerveau pense.
Les canaux artificiels des chercheurs utilisent une version modifiée d'une structure appelée pilararène pour améliorer leur capacité à lier et à bloquer des ions communs spécifiques tout en transportant des ions de terres rares spécifiques. Le résultat est un système qui peut transporter sélectivement des éléments de terres rares intermédiaires, tels que l'europium (Eu³⁺) et le terbium (Tb³⁺), tout en excluant d'autres ions tels que le potassium, le sodium et le calcium.
"La nature a perfectionné l'art du transport sélectif à travers les membranes biologiques", explique Venkat Ganesan, professeur au département de génie chimique de McKetta et l'un des responsables de la recherche. "Ces canaux artificiels sont comme de minuscules gardiens, qui ne laissent passer que les ions souhaités."
Les terres rares sont réparties en plusieurs catégories (légères, moyennes et lourdes), chacune ayant des propriétés différentes qui la rendent idéale 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, dont l'europium et le terbium, comme des matériaux critiques dont l'approvisionnement risque d'être perturbé. La demande de ces éléments devant augmenter de plus de 2 600 % d'ici à 2035, il est plus urgent que jamais de trouver des moyens durables de les extraire et de les recycler.
Lors d'expériences, les canaux artificiels ont montré une préférence de 40 fois pour l'europium par rapport au lanthane (une terre rare légère) et de 30 fois pour l'europium par rapport à l'ytterbium (une terre rare lourde). Ces niveaux de sélectivité sont nettement plus élevés que ceux obtenus par les méthodes traditionnelles à base de solvants qui nécessitent des dizaines d'étapes pour parvenir à des résultats similaires.
En utilisant des simulations informatiques avancées, ils ont découvert que la sélectivité des canaux est due à des interactions uniques médiées par l'eau entre les ions de terres rares et le canal. Ces interactions permettent aux canaux de différencier les ions en fonction de leur dynamique d'hydratation, c'est-à-dire la manière dont les molécules d'eau entourent les ions et interagissent avec eux.
Kumar et son équipe travaillent sur cette recherche depuis plus de cinq ans. Expert en séparations membranaires, il applique également ses connaissances à la production d'eau propre.
Les chercheurs envisagent d'intégrer leur technologie dans des systèmes membranaires évolutifs à usage industriel, l'objectif étant de faciliter la réalisation de séparations ioniques aux États-Unis, en utilisant des énergies propres.
Ils travaillent sur une plateforme pour ces canaux qui permet aux utilisateurs de sélectionner une variété d'ions à collecter. 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 et de transport moléculaires de la nature en processus industriels robustes, apportant ainsi une grande sélectivité dans des contextes où les méthodes actuelles sont insuffisantes", a déclaré Harekrushna Behera, un associé de recherche du laboratoire de Kumar qui a travaillé sur le projet.
L'équipe comprend des chercheurs du département Fariborz Maseeh d'ingénierie civile, architecturale et environnementale, du département McKetta d'ingénierie chimique et du département de chimie du College of Natural Sciences. Il s'agit de Tyler J. Duncan, Laxmicharan Samineni, Hyeonji Oh, Ankit Jogdand, Arnav Karnik, Raman Dhiman, Aida Fica, Tzu-Yun Hsieh.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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