Une nouvelle étude décrit une nouvelle approche pour purifier les métaux des terres rares, composants cruciaux de la technologie qui nécessitent des procédures minières nuisibles à l'environnement. En s'appuyant sur les champs magnétiques du métal pendant le processus de cristallisation, les chercheurs ont pu séparer efficacement et sélectivement des mélanges de métaux des terres rares.

Soixante-quinze des 118 éléments du tableau périodique se trouvent chaque jour dans les poches et les sacs à main de plus de 100 millions d'utilisateurs américains d'iPhone. Certains de ces éléments sont abondants, comme le silicium dans les puces informatiques ou l'aluminium pour les boîtiers, mais certains métaux qui sont nécessaires pour des affichages nets et des sons clairs sont difficiles à obtenir. Dix-sept éléments connus sous le nom de métaux des terres rares sont des composants cruciaux de nombreuses technologies mais ne se trouvent pas dans les gisements concentrés, et, car ils sont plus dispersés, nécessitent des procédures d'extraction toxiques et dommageables pour l'environnement.

Dans le but de développer de meilleures façons de recycler ces métaux, une nouvelle recherche du laboratoire d'Eric Schelter décrit une nouvelle approche pour séparer des mélanges de métaux des terres rares à l'aide d'un champ magnétique. L'approche, Publié dans Angewandte Chemie Édition Internationale , a vu ses performances de séparation doubler et constitue un point de départ vers une économie des métaux des terres rares plus propre et plus circulaire.

L'approche standard pour séparer des mélanges d'éléments consiste à effectuer une réaction chimique qui fait changer de phase l'un des éléments, comme passer du liquide au solide, qui permet de séparer les éléments à l'aide de méthodes physiques comme la filtration. Ce type d'approche est utilisé pour séparer les métaux des terres rares; les mélanges sont placés dans une solution d'un acide, et un composé organique et des ions métalliques individuels se déplacent lentement de la phase acide vers la phase organique à des vitesses variables en fonction des propriétés chimiques du métal.

Ce qui est difficile, c'est que de nombreuses propriétés chimiques, comme la solubilité ou la façon dont ils réagissent avec d'autres éléments, sont très similaires entre les métaux des terres rares. Cette absence de forte différence chimique signifie que la séparation des métaux des terres rares est un processus long et consommateur d'énergie qui génère également une quantité substantielle de déchets acides. "Ça marche bien quand tu le fais 10, 000 fois, mais chaque étape individuelle est peu efficace, " dit Schelter.

Là où les métaux des terres rares diffèrent, c'est leur paramagnétisme, ou à quel point ils sont attirés par les champs magnétiques. Les chercheurs se sont intéressés à trouver des moyens d'utiliser le paramagnétisme pour isoler différents éléments de terres rares, mais les efforts précédents n'avaient pas trouvé de moyens de coupler le paramagnétisme avec une réaction chimique ou un déphasage.

La découverte clé était que la combinaison d'un champ magnétique avec une diminution de la température provoquait la cristallisation des ions métalliques à des vitesses différentes. La cristallisation des éléments en diminuant la température est une approche couramment utilisée en laboratoire, mais l'ampleur de son impact était inattendue. "Nous utilisons des températures plus basses pour cristalliser beaucoup de nos matériaux, " explique le chercheur postdoctoral Robert Higgins, qui a dirigé l'étude. "C'était l'une des choses que je pouvais potentiellement utiliser, mais je n'avais pas réalisé au début à quel point cela allait être important."

En utilisant cette approche, les chercheurs peuvent séparer efficacement et sélectivement les terres rares lourdes comme le terbium et l'ytterbium des métaux plus légers comme le lanthane et le néodyme. Le résultat le plus frappant a été de prendre un mélange 50/50 de lanthane et de dysprosium et de récupérer 99,7 % de dysprosium en une seule étape, un « coup de pouce de 100 % » par rapport à la même méthode mais sans utiliser d'aimant.

Étant donné que les mécanismes chimiques des approches de séparation existantes ne sont pas bien compris, les chercheurs espèrent que leur approche systématique pourra faire passer les technologies de séparation des métaux de « magique » à quelque chose de plus contrôlable, compétitif, et rentable. "Si vous pouviez concevoir rationnellement des moyens d'améliorer la séparation des métaux, ce serait un gros avantage, ", déclare Schelter. "Notre position est d'aborder les applications de niche liées aux séparations chimiques en utilisant une approche qui peut être appliquée à de nouveaux systèmes de séparation pour compléter la technologie existante."

Higgins cherche maintenant des moyens d'améliorer l'efficacité de la réaction tout en étudiant comment les champs magnétiques interagissent avec ces solutions chimiques. Il considère cette étude et d'autres découvertes de la chimie fondamentale comme une première étape importante vers un recyclage des métaux des terres rares plus efficace et durable. "Plus vite nous pourrons trouver de nouvelles façons d'effectuer des séparations plus efficacement, plus vite nous pourrons améliorer certains des problèmes géopolitiques et climatiques associés à l'extraction et au recyclage des terres rares, " dit Higgins.