Depuis l’établissement du tableau périodique de Mendeleïev, la séparation des lanthanides demeure l’un des problèmes les plus épineux dans les domaines de la chimie et de l’industrie minière. Les 15 éléments lanthanides présentent une différence de rayon ionique d’environ 0,01 Å seulement, soit un sept millième de l’épaisseur d’un cheveu. Une équipe de l’Institut de géochimie de Guangzhou, de l’Académie chinoise des sciences (CAS), a publié dans Nature une innovation majeure qui permet, pour la première fois, un tamisage atomique précis des lanthanides avec une sélectivité atteignant 100 %. Cette percée technologique, qualifiée de « révolutionnaire », offre une solution entièrement nouvelle pour la fabrication de terres rares de haute pureté et le traitement des déchets nucléaires.

Un « siècle de difficultés de séparation »

Les lanthanides, surnommés « glutamate industriel », sont largement utilisés dans de nombreux domaines de pointe, notamment les smartphones, les aimants permanents des éoliennes, le guidage laser et l’imagerie médicale. Chacun des 15 membres possède des propriétés physiques et chimiques distinctes en matière de lumière, d’électricité, de magnétisme et de catalyse, ce qui en fait des matériaux de base indispensables pour l’industrie de haute technologie.

Cependant, depuis plus d’un siècle, l’extraction de haute pureté des lanthanides est entravée par la « contraction lanthanidique » — la différence moyenne de rayon ionique entre éléments adjacents n’est que d’environ 0,01 Å, ce qui rend leurs propriétés chimiques extrêmement similaires et leur séparation précise difficile.

La technologie traditionnelle d’extraction par solvant repose sur une extraction à multiples étages en cascade, avec une consommation énergétique élevée et d’importants rejets de déchets liquides. Pour chaque tonne d’oxyde de terres rares produite, on consomme généralement plusieurs tonnes de produits chimiques tout en générant de grandes quantités de résidus radioactifs. Le principe de l’extraction par solvant consiste à dissoudre les lanthanides dans une solution acide, où ils sont sélectivement transférés dans une phase organique grâce à la « danse » des molécules d’extractant. Depuis son industrialisation dans les années 1960, cette méthode a connu des améliorations notables, mais elle reste fondamentalement liée aux « différences d’affinité chimique » et n’a jamais pu réaliser un véritable tamisage physique par taille, encore moins une précision atomique.

Avec la croissance explosive de la demande en métaux clés dans des secteurs comme les nouvelles énergies et l’information électronique, le modèle traditionnel de « séparation en cascade et purification progressive » ne parvient plus à répondre aux besoins. L’industrie réclame d’urgence une technologie capable de séparer précisément les lanthanides à l’échelle moléculaire, voire atomique.

Percée dans la technologie membranaire avec une sélectivité de 100 %

De l’« extraction chimique » au « tamisage atomique »

L’équipe de recherche a conçu une nouvelle voie de séparation en élaborant un matériau membranaire à canaux nanométriques de haute précision. Ce système permet, par un mécanisme de tamisage ionique, une séparation atomique précise des lanthanides, aux propriétés extrêmement proches, avec une sélectivité de 100 %, rompant ainsi avec le paradigme de séparation reposant sur les différences d’affinité chimique de l’extraction traditionnelle.

En termes de stratégie de séparation, les avancées récentes ont démontré la faisabilité : dans un système d’extraction, le pourcentage de perméation des lanthanides a augmenté de manière significative, leur cinétique de perméation s’est accélérée, et le pourcentage de perméation en 24 heures peut atteindre 95 %. Ces résultats indiquent qu’un tamisage basé sur la taille des canaux pourrait séparer complètement des ions de différentes tailles d’un côté et de l’autre.

Reconnaissance précise par la synergie membrane-ligand

Les résultats de travaux ultérieurs ont enrichi les voies de tamisage : en imitant le mécanisme d’adsorption monocouche des ions des canaux calciques biologiques, une structure de canal permettant une adsorption monocouche des ions cibles a été développée. Le matériau adsorbant est directement transformé en membrane de séparation, accélérant ainsi la perméation des ions métalliques cibles tout en repoussant précisément les ions concurrents, résolvant de manière fondamentale le problème de compatibilité limitée entre les membranes de séparation traditionnelles et les ions de métaux lourds.

Parallèlement, en concevant des interactions de coordination spécifiques entre les ligands chélateurs et les ions métalliques, les éléments peuvent être séparés avec précision dans des conditions douces, offrant ainsi un nouvel outil moléculaire pour l’enrichissement efficace des lanthanides. Ces deux voies constituent une « double garantie — reconnaissance moléculaire + tamisage nanoconfiné », permettant à chaque ion d’être « précisément identifié » au moment de traverser la membrane.

Potentiel d’extension à la gestion des déchets nucléaires et aux tâches de séparation complexes

La nouvelle stratégie possède également une forte extensibilité dans les domaines du retraitement des combustibles usés et de la séparation des terres rares. En couplant une oxydation chimique avec le tamisage GOM et une extraction par solvant simple, une séparation efficace en groupe des lanthanides et des actinides peut être réalisée dans des conditions de forte acidité. En solution fortement acide, les actinides sont oxydés en ions actinyl linéaires, tandis que les lanthanides restent sphériques, créant une différence significative de taille et de configuration spatiale qui peut être exploitée par tamisage via des canaux de tailles spécifiques dans la GOM. On peut s’attendre à ce que cette stratégie de séparation soit modifiée et étendue pour accomplir d’autres tâches de séparation dans le cycle du combustible nucléaire.

Des matériaux de haute pureté au traitement des déchets nucléaires

Bouleverser la fabrication des terres rares de haute pureté, réduire les coûts et augmenter l’efficacité

Des secteurs tels que les matériaux fluorescents à base de lanthanides, les cristaux laser et les cibles de terres rares de haute pureté sont depuis longtemps limités par un goulot d’étranglement de pureté. La technologie de tamisage atomique peut porter le degré de récupération d’ions lanthanides spécifiques à des niveaux jamais atteints, posant ainsi les bases de la fabrication d’une nouvelle génération de matériaux de haute précision. L’introduction d’une étape de tamisage précis dans les procédés d’hydrométallurgie des terres rares pourrait considérablement raccourcir le processus traditionnel d’extraction à multiples étages, réduire la consommation d’acides et de bases ainsi que les émissions de résidus radioactifs, réalisant ainsi une « métallurgie verte » et une « valorisation à haute valeur ajoutée ».

S’attaquer au « défi mondial » du traitement des déchets nucléaires

Dans le retraitement du combustible usé, la séparation des actinides et des lanthanides constitue le problème central de la gestion des déchets nucléaires (ces deux groupes d’éléments présentent des comportements chimiques extrêmement similaires). En transformant, par oxydation, des actinides tels que l’uranium, le neptunium et le plutonium en ions linéaires, créant ainsi une différence de configuration avec les ions lanthanides sphériques, et en utilisant des membranes de séparation à canaux de taille contrôlée avec précision, il est possible d’atteindre une exigence de pureté de séparation d’un millionième. Cela fournirait un soutien technique essentiel pour la réduction volumique des déchets de haute activité et leur stockage géologique, réduisant considérablement les risques environnementaux à long terme des déchets nucléaires.

Soutenir la sécurité stratégique des métaux clés et l’utilisation efficace des ressources

La technologie de tamisage atomique peut également être appliquée à la séparation de systèmes d’éléments hautement similaires, tels que la séparation coordonnée des lanthanides entre eux ou l’extraction d’isotopes spéciaux, s’étendant à la préparation ultrapure de métaux clés comme Ga-In, Zr-Hf et Ta-Nb. En intégrant les matériaux adsorbants et la séparation membranaire, il est possible de restructurer le processus d’extraction des ressources, en passant d’une « extraction totale suivie d’une séparation » à un « tamisage couplé à un enrichissement », garantissant ainsi la stabilité des chaînes d’approvisionnement en métaux clés et maximisant l’utilisation des ressources.