Les moules inspirent un éco

La capacité unique et remarquable des moules à adhérer aux surfaces sous-marines telles que les roches a inspiré une nouvelle façon, plus efficace et plus respectueuse de l'environnement, d'extraire les éléments essentiels des terres rares. Crédit : Fourni par le Sheikhi Lab/Penn State. Tous droits réservés.

9 août 2023

Par Jamie Oberdick

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie — Il existe une énigme autour des éléments des terres rares (ÉTR). Ils jouent un rôle clé dans l’énergie propre, essentielle à la production de batteries légères et efficaces et de composants essentiels aux éoliennes. À l’inverse, l’extraction conventionnelle de ces éléments soulève des préoccupations environnementales allant de la destruction de l’habitat à la pollution de l’eau et de l’air, en passant par la grande quantité d’énergie nécessaire pour extraire et traiter ces éléments.

Pour résoudre ce dilemme, les chercheurs de Penn State ont trouvé leur inspiration sous la mer : la viscosité des moules. En imitant cette colle naturelle, les chercheurs ont développé un nouveau revêtement de nanocellulose inspiré des moules (MINC) qui a démontré ce qu'ils appellent une capacité « remarquable, voire surprenante » à récupérer les ETR à partir de sources secondaires telles que les eaux usées industrielles sans utiliser une grande quantité d'énergie. .

Ils ont publié leurs travaux le 31 juillet dans ACS Applied Materials and Interfaces. Il figurera en couverture de la revue en septembre.

Les moules ont une remarquable capacité à adhérer aux surfaces sous l’eau grâce aux propriétés adhésives des molécules à base de catéchol présentes dans les protéines des moules. Le MINC reflète cela en étant constitué de nanocristaux de cellulose poilus ultra-minuscules aux propriétés collantes uniques. Le MINC est appliqué sur un substrat via une technique appelée formation de couche publicitaire médiée par la dopamine. Une réaction chimique permet au MINC de former une fine couche de molécules sur une surface, le rendant capable d'adhérer à une large gamme de substrats.

"L'approche MINC offre une alternative durable et respectueuse de l'environnement aux méthodes d'extraction conventionnelles, minimisant l'empreinte environnementale et contribuant à la disponibilité à long terme des éléments critiques", a déclaré l'auteur principal Amir Sheikhi, professeur adjoint de génie chimique et de génie biomédical, par courtoisie.

Les chercheurs se sont concentrés sur l’application du MINC pour extraire un ETR particulier, le néodyme. Le ministère américain de l'Énergie a classé le néodyme comme matériau critique en raison des pénuries d'approvisionnement et de son impact important sur les technologies durables émergentes telles que les batteries de voitures électriques et les aimants utilisés dans les systèmes d'alimentation des véhicules électriques et des éoliennes. Cependant, la partie « rare » des éléments des terres rares est particulièrement vraie avec le néodyme, car le manque d’approvisionnement prêt à extraire de cet élément critique oblige à l’extraire de sources secondaires telles que le recyclage des eaux usées industrielles. Cela peut être à la fois inefficace et énergivore, selon Sheikhi.

"L'offre mondiale limitée de néodyme et l'impact environnemental des méthodes d'extraction actuelles nécessitent le développement d'approches écologiques et durables pour la récupération des ETR", a déclaré Sheikhi, expliquant que les techniques d'extraction conventionnelles utilisent des quantités importantes de produits chimiques toxiques, tels que le kérosène, pour purifier l’élément cible. "Les méthodes d'extraction de terres rares antérieures utilisaient des adsorbants tels que des gels d'alginate, des matériaux sol-gel de phosphore, des nanotubes et du carbone poreux, mais ces techniques démontrent une efficacité limitée."

Amir Sheikhi, professeur adjoint de génie chimique et de génie biomédical, avec l'aimable autorisation (à gauche) et Dawson Alexander, chercheur de premier cycle du Sheikhi Research Group, co-auteur avec Sheikhi de l'article publié dans ACS Applied Materials and Interfaces. . Crédit : Groupe de recherche Sheikhi. Tous droits réservés.

Le revêtement MINC est au néodyme ce qu'un aimant est au fer, tirant les ETR hors de l'eau, même lorsque l'élément n'est présent qu'en quantités aussi limitées que des parties par million.

"Le défi de l'extraction du néodyme réside dans son élimination efficace et sélective à de faibles concentrations", a déclaré Sheikhi. "Le MINC présenté dans cette étude offre une sélectivité et une capacité améliorées pour l'élimination du néodyme, surmontant les limites des méthodes précédentes."