Les terres rares comme le lanthane, le néodyme et le dysprosium sont utilisées pour fabriquer le moteur électrique de votre voiture, les lampes LED de votre maison et l’IRM chez votre médecin. Mais d’abord, elles doivent être extraites et séparées les unes des autres. Historiquement, cette purification a été un processus difficile et coûteux, reposant sur d’énormes quantités de produits chimiques toxiques.
Aujourd’hui, des chercheurs du laboratoire du professeur associé Chong Liu à l’Université de Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME), en collaboration avec des collègues de l’Université Northwestern et du Laboratoire national d’Argonne, ont découvert une méthode plus propre pour séparer les terres rares les unes des autres.
La nouvelle approche repose sur une forme stratifiée d’oxyde de manganèse — un matériau minéral dont les couches ont la bonne taille pour permettre aux ions de glisser et de différencier les terres rares.
« C’est la première fois que l’on utilise l’intercalation électrochimique et que l’on exploite les caractéristiques structurelles pour séparer des lanthanides similaires, intrinsèquement très difficiles à séparer », explique Liu, auteur principal de la nouvelle étude, publiée dans Nature Chemical Engineering. « Ce qui est également précieux, c’est que nous avons fourni beaucoup de nouvelles connaissances sur la façon dont les ions de terres rares interagissent avec ce matériau et comment nous pouvons le manipuler pour une meilleure sélectivité. »
« Ce type de séparation est concurrentiel par rapport aux autres méthodes de séparation des terres rares, mais il se fait dans l’eau, sans solvants organiques », explique George Schatz, professeur de chimie à l’Université Northwestern et co-auteur de l’étude. « C’est une différence qui pourrait vraiment compter à l’échelle de la production. »
Presser les éléments à travers des canaux
Les 17 terres rares — dont les 15 lanthanides, plus le scandium et l’yttrium — se trouvent rarement seules. Elles sont presque toujours extraites ensemble et, chimiquement, elles sont presque identiques, avec seulement de minuscules différences de taille d’ion et d’acidité qui les différencient. Les séparer nécessite généralement des molécules sur mesure et de grandes quantités d’acide, utilisé pour dépouiller chaque élément de ces molécules.
« Les terres rares sont toujours mélangées, qu’elles soient dans un minerai ou dans un flux de déchets, et les séparer les unes des autres est une deuxième étape très difficile, même après les avoir extraites de tout le reste », explique Jiadong Liu, étudiant diplômé de l’UChicago PME et co-premier auteur du nouvel article.
Chong Liu et ses collègues savaient que l’une des différences entre les ions de terres rares était la taille de la coquille d’eau entourant chacun d’eux lorsqu’ils sont dissous en solution. Les terres rares plus légères comme le lanthane ont une première coquille d’eau plus grande, tandis que les terres rares plus lourdes comme le dysprosium ont une première coquille plus petite.
Profitant de cette différence de taille, le groupe de Chong Liu a conçu l’oxyde de manganèse de sorte que les espaces entre ses couches empilées n’aient que quelques molécules d’eau de large. Ensuite, ils ont comprimé des mélanges bruts de terres rares à l’intérieur.
L’approche a divisé les éléments en deux groupes. Les lanthanides plus lourds avec des coquilles d’eau plus petites restent plus fermement coincés dans les canaux. Les lanthanides plus légers avec des coquilles plus grandes écartent les couches, desserrant leur prise.
Pour confirmer ce qui se passait au niveau moléculaire, l’équipe de l’UChicago PME a collaboré avec le groupe de Schatz à Northwestern pour effectuer des simulations mécaniques quantiques en utilisant une méthode appelée théorie de la fonctionnelle de la densité, qui prédit comment les atomes s’organisent et interagissent en se basant sur la physique sous-jacente. Ils ont également travaillé avec des scientifiques d’Argonne pour obtenir des données expérimentales par rayons X.
« C’était incroyablement gratifiant de voir à quel point nos calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité correspondaient aux mesures par rayons X synchrotron », explique le co-premier auteur Woo Cheol Jeon, qui a mené la recherche en tant que chercheur postdoctoral dans le laboratoire de George Schatz à Northwestern. « Les calculs nous ont permis de voir, atome par atome, comment chaque élément de terre rare organise sa coquille d’hydratation à l’intérieur du canal confiné, ce que les expériences ne pouvaient pas résoudre directement. »
Ajuster la purification
Alors que le nouveau procédé séparait les terres rares les plus lourdes et les plus légères, certains des éléments les plus utiles se comportaient encore de manière trop similaire pour être séparés. Pour affiner la purification afin de différencier des paires similaires de terres rares, l’équipe de recherche a utilisé un courant électrique et ajouté des ions magnésium.
Le magnésium a agi comme un échafaudage, maintenant les canaux d’oxyde de manganèse à leur espacement conçu, même lorsque les terres rares tentaient de l’élargir — un effet appelé ancrage. Désormais, les ions de terres rares montraient des différences de liaison au matériau stratifié même lorsqu’ils étaient extrêmement similaires.
« Même des éléments qui se comportent presque identiquement essaient encore d’étendre le matériau pour faire de la place à leurs molécules d’eau », explique Siqi Zou, PhD’24, co-premier auteur de l’étude et ancien étudiant diplômé de l’UChicago PME. « En fixant le canal pour qu’il ne puisse pas du tout s’étendre, nous avons forcé cette petite différence de comportement à devenir une différence beaucoup plus grande dans la force de liaison de chaque élément. »
Avec l’ajout de magnésium, l’enrichissement du néodyme par rapport au lanthane est passé d’une différence de 1,6 fois à une différence de 5,4 fois. Après deux cycles de purification, les chercheurs ont pu obtenir un échantillon de néodyme pur à 97%. Des améliorations similaires ont été observées pour d’autres terres rares.
Un avenir plus propre
La nouvelle méthode de purification pourrait finalement orienter vers différentes façons de penser où se déroule le traitement des terres rares, expliquent les chercheurs.
« Actuellement, les minerais de terres rares sont extraits partout dans le monde, mais presque tous finissent par être envoyés à l’étranger pour le traitement », explique Schatz, co-auteur de l’étude. « Une méthode comme celle-ci, qui utilise simplement de l’eau et de l’électricité au lieu de solvants organiques, est le genre de technologie qui pourrait réellement changer comment et où ce traitement est effectué. »
La méthode n’est cependant pas encore prête à être étendue pour remplacer la purification industrielle. Néanmoins, elle indique un principe de conception plus large : régler la largeur d’un canal peut déterminer quels ions un matériau préfère, même pour des ions qui diffèrent d’une fraction d’angström.
Le groupe de Chong Liu teste maintenant l’approche sur davantage des 15 lanthanides, tandis que Schatz affine ses modèles computationnels, visant à expliquer l’effet d’ancrage de manière plus quantitative. Il utilise également la même approche de modélisation développée pour ce travail pour étudier d’autres matériaux.
Citation : « Ancrer un canal ionique solide de taille angström pour la séparation des terres rares », Zou et al, Nature Chemical Engineering, 21 juillet 2026, DOI : 10.1038/s44286-026-00418-8
Article : Pinning ångström-size solid ionic channels for rare-earth element separation – Journal : Nature Chemical Engineering – DOI : Lien vers l’étude
Source : Chigaco U.
