Ty Tkacik
Malgré l’importance des éléments de terres rares dans la fabrication des téléphones portables, des aimants et de nombreux autres appareils électroniques grand public et commerciaux, l’absence d’une approche durable et écologique pour obtenir ces métaux a entraîné une pénurie mondiale, selon Amir Sheikhi , professeur associé en génie chimique.
Sheikhi est le chercheur principal d’un article, récemment publié dans Advanced Functional Materials , qui propose une nouvelle technologie pour isoler et récupérer le dysprosium, un élément de terres rares utilisé pour fabriquer des semi-conducteurs, des moteurs, des générateurs et plus encore. L’équipe a utilisé la cellulose — un élément constitutif abondant et essentiel présent dans les parois des cellules végétales — pour séparer sélectivement le dysprosium des autres éléments. Selon les chercheurs, cette approche est plus respectueuse de l’environnement, ainsi que plus durable et efficace que les autres méthodes commerciales.
Les 17 métaux classés comme éléments de terres rares peuvent être subdivisés en lourds ou légers en fonction de leur composition chimique, explique Sheikhi, qui détient également le titre de Dorothy Foehr Huck and J. Lloyd Huck Early Career Chair in Biomaterials and Regenerative Engineering. Son équipe avait précédemment utilisé des composés à base de cellulose pour récupérer du néodyme , un élément de terres rares léger utilisé pour développer des aimants puissants, à partir de déchets électroniques comme les cartes de circuits recyclées d’ordinateurs.
Cependant, cette approche n’avait pas encore été utilisée pour isoler et récupérer spécifiquement le dysprosium, un élément de terres rares lourd qui peut être utilisé, par exemple, pour maintenir la stabilité thermique des barres de contrôle nucléaire.
« Avec l’avancée de la technologie, les fabricants auront besoin de plus en plus de dysprosium — certaines prévisions estiment que la demande pour ce matériau pourrait bondir de plus de 2 500 % dans les 25 prochaines années », a déclaré Sheikhi, directeur fondateur du Bio-Soft Materials Laboratory . « Avoir un moyen durable et écologique de récupérer ce matériau aidera stratégiquement les États-Unis à rester compétitifs face à des pays comme la Chine. »
Les méthodes commercialisées pour séparer les éléments de terres rares utilisent principalement des solvants, des liquides dissous ou des solides capables de décomposer les minéraux, et nécessitent des salles pleines de machines et de produits chimiques pour fonctionner, selon Sheikhi.
« Séparer les éléments de terres rares les uns des autres a été extrêmement difficile, en raison des structures chimiques très similaires des métaux », a souligné Sheikhi. « Nous recherchons un moyen fiable de séparer les éléments lourds comme le dysprosium des éléments légers comme le néodyme, tout en évitant les effets secondaires environnementaux négatifs des approches de séparation actuelles. »
Pour améliorer ce processus inefficace et polluant, l’équipe s’est tournée vers la cellulose. Ils ont ajusté la structure moléculaire de la cellulose pour créer un matériau cristallin très petit, d’environ 100 nanomètres de long — 1 000 fois plus petit que l’épaisseur d’un cheveu humain. Cette nanocellulose est recouverte de minuscules chaînes de cellulose ressemblant à des poils aux deux extrémités – connues sous le nom de nanocristaux de cellulose poilus anioniques (AHCNC).
L’équipe a ensuite ajouté sa nanocellulose à une solution aqueuse de néodyme et de dysprosium, observant comment la nanocellulose pouvait séparer les métaux dissous via un processus appelé adsorption, où une surface collecte et retient des ions d’un liquide ou d’un solide dissous. Lorsqu’elle est exposée à la solution, l’AHCNC s’est comportée différemment des autres matériaux à base de cellulose — les chaînes chimiquement modifiées de ses poils se sont distinctement rétractées, indiquant une sensibilité spécifique au dysprosium.
« À ma connaissance, c’est le premier exemple d’un adsorbant à base de cellulose capable de filtrer sélectivement entre les éléments de terres rares lourds et légers », a expliqué Sheikhi. « En plus de cela, notre processus est très simple et efficace. Nous ajoutons simplement notre nanocellulose à une solution et séparons les métaux. »
Une étude plus approfondie des échantillons a révélé comment les poils présents sur l’AHCNC peuvent essentiellement agir comme un filtre pour cibler et séparer spécifiquement les ions dysprosium. Sheikhi a affirmé que cela a surpris l’équipe, qui pensait initialement que l’ajustement du type de groupe fonctionnel, ou des ensembles spécifiques d’atomes qui déterminent comment les éléments réagissent chimiquement les uns avec les autres, de la cellulose serait la clé pour optimiser la séparation.
« Après avoir comparé ce comportement côte à côte avec d’autres plateformes à base de cellulose, nous avons déterminé que ce n’est pas seulement le type de groupe fonctionnel du matériau qui facilite cette sélectivité », a-t-il détaillé. « C’est la structure du matériau lui-même et la position des groupes fonctionnels, ce qui met en évidence les propriétés uniques de ces nanostructures poilues. »
Avec un développement supplémentaire, l’équipe a déclaré qu’elle croit que cette approche pourrait offrir un moyen plus rapide, plus propre et commercialement pratique de recycler le dysprosium et d’autres éléments de terres rares. À l’avenir, les chercheurs prévoient de tester la viabilité de leur méthode pour isoler d’autres éléments de terres rares et minéraux critiques. Ils prévoient également d’optimiser davantage la cellulose, avec l’objectif de préparer la technologie à un passage à l’échelle pour une utilisation pratique dans les usines et laboratoires à travers les États-Unis.
Les autres co-auteurs affiliés à Penn State incluent Roya Koshani, chercheuse postdoctorale en génie chimique ; Shang-Lin Yeh et Mica L. Pitcher, doctorants en génie chimique au moment de la recherche, désormais diplômés et travaillant tous deux chez PPG ; et Dawson Alexander, étudiant de premier cycle en génie chimique au moment de la recherche, désormais diplômé et travaillant chez Syensqo. Les co-auteurs supplémentaires incluent Karuna Anna Sajeevan, chercheuse postdoctorale à l’université d’État de l’Iowa ; et Ratul Chowdhury, professeur assistant en génie chimique et biologique à l’université d’État de l’Iowa.
Source : PSU
