Au niveau fondamental, l’accent est mis sur des problématiques de séparation adaptative, visant à un pilotage contrôlé de procédés pouvant traiter un flux entrant de composition variable. Dans la suite de l’utilisation de composés fluorés, notre compréhension de l’importance relative des interactions fortes et faibles dans l’extraction et la séparation des métaux nous a permis de proposer une approche originale basée sur la démixtion spontanée de phases organiques. Le développement de systèmes adaptatifs a en parallèle été envisagé par une approche basée sur la mise en œuvre de bibliothèques covalentes dynamiques : Contrairement à la méthode classique où une seule molécule est conçue pour extraire des cations métalliques dans des conditions spécifiques, la chimie covalente dynamique permet d’induire la génération des espèces extractantes en fonction de la composition du milieu. En collaboration avec le LCS (ISIS), l’équipe LHyS a appliqué cette approche à l’extraction du nitrate de cuivre (II) par une phase organique basée sur une bibliothèque dynamique de constituants type acylhydrazone qui s’auto-construisent et se distribuent au sein du système biphasique. L’ajout de cations cuivre(II) à cette bibliothèque déclenche une modification de sa composition et la régulation des molécules de ligand entraînée par la coordination aux cations métalliques.
Les systèmes moléculaires étudiés sont ensuite utilisés pour la mise au point de circuits courts, dans les différents domaines du cycle de vie des métaux traités à l’ICSM : Au niveau du cycle du combustible nucléaire, les études effectuées visent à la simplification d’un cycle fermé piloté par la sureté, grâce à une gestion contrôlée de mélanges d’actinides. Le pilotage de la séparation est assuré par un choix judicieux de la topologie moléculaire des extractants utilisés, principalement des malonamides, qui permet de jouer sur les aspects cinétique et thermodynamique de la séparation. L’approche intègre aussi l’aspect fin matière par la préparation directe et contrôlée de matériaux d’actinides, purs ou en mélange, organisés à l’échelle nanométrique. Comme les matériaux hybrides organisés à l’échelle nanométrique peuvent afficher des propriétés inhabituelles par rapport aux matériaux inorganiques classiques, l’équipe a développé deux approches bottom-up pour viser la préparation contrôlée de ce type de matériaux. Finalement, de manière plus générale, afin de répondre au manque de possibilités de mise en forme des matériaux poreux avec une large applicabilité, nous avons développé, en collaboration avec une équipe du CEA Marcoule (LPSD), une approche de préparation de matériaux hiérarchiquement poreux basée sur la stabilisation d’émulsions de Pickering au moyen de MOF. D’autres moyens de mise en forme de matériaux à base de MOF sont en cours d’étude au laboratoire, comme l’impression 3D ou le dépôt sur couches minces.
Dans l’industrie des déchets et du recyclage, l’approche développée vise à améliorer la chaine de valeur par la préparation directe, sans purification, de composés à haute valeur ajoutée, en tenant compte des modèles économiques et écologiques. Diverses applications sont abordées, grâce à un réseau établi de collaborations académiques et industrielles :
· Développement de précurseurs de matériaux pour le stockage de l’énergie :
Le stockage d’énergie et son économie circulaire représentent un enjeu sociétal majeur pour les années à venir. Dans ce domaine, l’équipe LHyS s’intéresse vivement au cycle des batteries Li-ion et plus particulièrement à celui de l’électrode active par une approche intégrée reposant sur divers procédés hydrométallurgiques. Ce cycle comprend la fabrication, la dissolution et la séparation des espèces dans un cycle fermé principalement basé sur l’utilisation de matériaux hybrides type MOF (Metal-Organic Frameworks, thèses M. Cognet et T. Riant). Toutes ces actions comprennent des études fondamentales et appliquées et impliquent plusieurs groupes externes nationaux et internationaux (projet SCARCE, contrat E. Lagae-Capelle).
· Récupération et valorisation des métaux précieux (Pd, Au) contenus dans des déchets électroniques ou industriels :
Sur la base des études fondamentales déjà publiées, l’équipe a développé différentes approches hydrométallurgiques pour la récupération du Pd. En collaboration avec différents groupes, il a ensuite été possible de proposer une voie de recyclage courte du Pd par sa valorisation directe sous forme de catalyseur. Ces travaux se poursuivent dans le cadre du projet CAREME financé par l’ANR.
