Les éléments terrestres soutiennent l’ère de l’information, et garantir l’approvisionnement en ces métaux est devenu une question de sécurité nationale et économique. Ils sont omniprésents dans nos technologies intelligentes, nos matériaux haute performance et nos catalyseurs industriels. Pourtant, leur récupération est complexe, dangereuse et coûteuse.
C’est pourquoi Justin Wilson, de l’université de Californie à Santa Barbara, s’est associé à la société de récupération de minéraux REEGen. « Nous avons développé une nouvelle approche pour extraire les éléments de terres rares des produits en fin de vie, tels que les déchets électroniques provenant des téléphones, des batteries et des convertisseurs catalytiques mis au rebut », a dit M. Wilson, professeur au département de chimie et de biochimie de l’UCSB. La nouvelle technique,
publiée dans Communications Chemistry, combine les avantages de l’extraction à l’état solide et de la chimie de précision. L’objectif est de rendre le recyclage des éléments de terres rares attractif sur le plan financier, logistique et environnemental.
Retour au tableau périodique
Les éléments de terres rares (ETR) comprennent le scandium, l’yttrium et les éléments allant du lanthane au lutétium. Ils se trouvent tout en bas du tableau périodique, dans la section qui est souvent retirée et placée en dessous.
Bien qu’elles ne soient pas aussi rares que leur nom le suggère, les terres rares sont difficiles à obtenir sous leur forme pure. Leur extraction à partir de gisements géologiques ou de déchets est un processus en plusieurs étapes qui consiste à dissoudre la matière première, à éliminer tous les autres métaux, puis à isoler chaque terre rare individuellement. « Malheureusement, leurs similitudes chimiques les rendent extrêmement difficiles à séparer les unes des autres.
Le laboratoire de Wilson se concentre sur des composés appelés chélateurs, qui se lient aux métaux comme une pince de crabe saisissant un caillou. En 2024, son équipe a synthétisé un chélateur unique, appelé G-macropa, qui se lie préférentiellement aux ions métalliques de grande taille, comme les lourds éléments de terres rares. Son équipe a pu utiliser cette molécule pour séparer différents éléments de terres rares les uns des autres à température ambiante sans avoir recours aux composés toxiques et caustiques actuellement utilisés pour cette tâche. Aujourd’hui, Wilson s’intéresse à la première étape consistant à concentrer les éléments de terres rares à partir d’un mélange contenant de nombreux métaux différents.
Combiner la chimie de précision avec une configuration simple
Les scientifiques de REEGen ont mis au point des microbes capables de produire des acides organiques et des bio-chélateurs que l’entreprise utilise pour extraire les éléments de terres rares des flux de déchets. L’expertise de M. Wilson intervient après cette extraction initiale pour séparer les ETR des autres métaux présents dans le bio-lixiviat, tels que les métaux alcalins et alcalino-terreux, ainsi que le fer et l’aluminium.
Wilson souhaitait développer un matériau simple capable d’éliminer les ions REE du bio-lixiviat, à l’instar d’un filtre à eau qui élimine les ions métalliques de l’eau du robinet. Il disposait déjà du chélateur macropa, son équipe devait simplement trouver comment le modifier pour qu’il adhère à une structure en résine sans perdre les propriétés utiles de la molécule.
Le concept consistant à utiliser une résine ou un matériau pour éliminer les ions métalliques est bien connu. Par exemple, les filtres Brita peuvent éliminer les ions métalliques de l’eau du robinet et les adoucisseurs d’eau domestiques peuvent capturer le calcium et le magnésium. L’approche du laboratoire de Wilson visait toutefois à tirer parti de la sélectivité unique du chélateur macropa pour les terres rares de très grande taille afin de mettre au point une résine capable d’éliminer ces éléments critiques, tout en laissant les autres ions métalliques relativement intacts.
Une fois que le laboratoire de Wilson a réussi à fixer le macropa à la structure, il a fait passer le bio-lixiviat de REEGen à travers le dispositif. Ce processus a multiplié par quatre la concentration en éléments de terres rares, qui est passée de 5 % en nombre d’atomes (ou pourcentage molaire) à plus de 21 % molaire. L’ajout d’oxalate pour éliminer l’excès de fer a encore amélioré ce résultat, donnant une solution contenant près de 59 % molaire d’éléments de terres rares. Un simple rinçage à l’acide chlorhydrique permet de détacher les ions de la structure, qui est alors prête à être réutilisée.
Répondre à un besoin non satisfait
« Les éléments de terres rares sont des composants essentiels de nombreux matériaux de haute technologie, mais leur extraction à partir de minerais bruts n’est ni économique ni respectueuse de l’environnement », a déclaré l’auteur principal Yangyang Gao, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Wilson. « Nous nous consacrons au développement de stratégies propres et écologiques d’extraction, d’enrichissement et de séparation des terres rares. »
Les auteurs souhaitent utiliser leur technique pour produire des solutions concentrées de terres rares qui pourront ensuite être envoyées à une entreprise spécialisée dans la séparation des différents éléments. Si certaines entreprises ont commencé à extraire les terres rares des déchets électroniques, le recyclage des terres rares en est encore à ses balbutiements. « À l’heure actuelle, personne n’extrait les éléments de terres rares de ces scories automobiles », a déclaré le coauteur Sean Medin, directeur technique de REEGen.
Le traitement des déchets automobiles nécessite des produits chimiques agressifs qui entraînent des complications logistiques, sécuritaires et réglementaires. Par conséquent, il n’est pratique qu’à grande échelle et n’est tout simplement pas rentable pour le moment, a expliqué M. Medin. Un filtre est bien confiné, génère moins de déchets et simplifie le processus. « Et le fait d’avoir un processus plus propre facilite grandement la mise en place de ces dispositifs sur site », ajoute-t-il.
L’équipe espère rendre sa technique encore plus sélective pour les terres rares et modifier la configuration afin de pouvoir traiter divers types de lixiviats.
Cette technique se prête à diverses applications, notamment l’extraction de ressources, le recyclage et même la dépollution environnementale. « Il pourrait y avoir un certain degré de modularité ici », a déclaré M. Wilson. « Si nous disposons de différents chélateurs et que nous trouvons comment les fixer ici, nous pourrions commencer à cibler différents ions métalliques, comme le mercure, le cadmium et le plomb. »
Le coût est actuellement le facteur limitant. La macropa est une molécule difficile à fabriquer, qui nécessite de nombreuses étapes. Plus le processus est compliqué, moins il est intéressant pour les applications industrielles. Mais le laboratoire de M. Wilson s’efforce de reproduire les propriétés de la macropa dans d’autres chélateurs plus simples. Il recherche également une résine plus optimale afin d’améliorer encore l’efficacité.
Malgré ses réalisations, l’équipe craint que ses progrès ne s’arrêtent brusquement. Ces travaux ont été financés par la subvention Small Business Innovation Research de la National Science Foundation, ainsi que par le programme Basic Energy Sciences du ministère de l’Énergie. « Ces organismes de financement, qui sont fortement menacés, jouent un rôle crucial dans des domaines importants pour la sécurité nationale, comme le soutien à l’approvisionnement national en éléments de terres rares », a commenté M. Wilson.
Le gouvernement fédéral a déclaré que la production nationale d’éléments de terres rares était une priorité, « mais il réduit les budgets des organismes qui financent les travaux dans ce domaine », a ajouté M. Medin. L’assouplissement de la réglementation pourrait encourager l’exploitation minière, mais ce n’est pas nécessairement le moyen le plus efficace de s’approvisionner en éléments de terres rares.
« Avec des coupes importantes dans ces sources de financement fédéral, je pense que notre pays va en souffrir », a conclu M. Wilson.
Article : « 18-membered macrocycle appended on resin for selective rare earth element extraction and separation » – DOI : 10.1038/s42004-025-01565-4
Source : UCSB
