Identifying intercalation electrodes for electrochemical ion recovery and desalination

L'eau douce devient une ressource de plus en plus rare à mesure que le niveau de la mer s'élève et que l'activité humaine augmente la teneur en sel des rivières et des lacs. Bien que l'élimination du sel de l'eau de mer pour créer de l'eau potable soit un défi connu, les océans recèlent également un trésor de minéraux précieux tels que le lithium, le magnésium et le calcium. L'extraction de ces éléments spécifiques de l'eau même que nous voulons purifier présente un problème d'ingénierie unique. Les méthodes traditionnelles de purification de l'eau, comme le passage à travers des membranes fines, sont efficaces pour éliminer tous les sels mais ne peuvent pas distinguer un minéral utile d'un minéral inutile. Inversement, les méthodes conçues pour extraire un seul minéral peinent souvent à fonctionner efficacement dans l'environnement complexe et salin de l'océan. La solution réside dans la recherche de matériaux capables d'agir comme des éponges sélectives, absorbant uniquement les ions que nous voulons tout en laissant les autres derrière eux, ou inversement, absorbant tout pour laisser une eau pure.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont tournés vers une classe de matériaux connus sous le nom d'électrodes d'intercalation. Il s'agit de structures solides possédant de minuscules espaces vides à l'intérieur de leurs réseaux cristallins, semblables à un nid d'abeille dont certaines cellules seraient manquantes. Lorsqu'ils sont placés dans l'eau et connectés à une source d'énergie, ces matériaux peuvent attirer des atomes chargés, ou ions, de la solution et les verrouiller en toute sécurité dans ces espaces vides. Ce processus est le même mécanisme qui permet aux batteries lithium-ion de stocker l'énergie, mais ici, le but n'est pas de stocker de l'électricité, mais de récolter des atomes spécifiques de l'eau. Le défi est que les matériaux actuellement utilisés à cette fin, comme certains composés de fer et de manganèse, se dégradent ou se dissolvent souvent lorsqu'ils sont exposés aux conditions rudes de l'eau de mer. Ils sont soit trop lents pour fonctionner, soit simplement instables au fil du temps.

Dans une nouvelle étude, une équipe de scientifiques s'est donné pour mission de trouver de meilleurs matériaux en examinant des milliers de possibilités qui n'ont jamais été testées en laboratoire. Ils n'ont pas mélangé de produits chimiques dans un bécher ; ils ont plutôt utilisé des ordinateurs puissants pour simiter la façon dont différentes structures cristallines se comporteraient dans l'eau de mer. Ils ont commencé avec une vaste bibliothèque numérique contenant plus de 20 000 structures chimiques différentes contenant du lithium, du sodium, du potassium, du magnésium ou du calcium. En utilisant une méthode appelée la théorie de la fonctionnelle de la densité, qui calcule l'énergie des atomes et des électrons, ils ont modélisé la réaction de chaque structure lorsqu'elle est immergée dans une eau présentant la composition chimique de l'océan.

Les chercheurs ont dû tenir compte du fait que l'eau de mer n'est pas seulement de l'eau et du sel ; c'est une soupe complexe d'ions qui peut attaquer et dissoudre de nombreux matériaux. Ils ont construit des cartes détaillées, connues sous le nom de diagrammes de Pourbaix, qui montrent précisément quelles combinaisons d'acidité et de tension électrique permettent à un matériau de rester solide et stable. Ils ont ajusté ces cartes pour inclure les ions spécifiques présents dans l'eau de mer, tels que le chlorure et le sulfate, qui sont souvent ignorés dans les tests standards. Ils ont ensuite appliqué un ensemble de règles strictes : un matériau devait rester stable dans l'eau de mer, être capable de retenir les ions capturés sans se désagréger, et ce, à une tension électrique sûre et pratique. Ils ont également recherché des matériaux qui pouvaient être sélectifs, c'est-à-dire qu'ils ne saisiraient qu'un seul type d'ion, ou non sélectifs, signifiant qu'ils en saisiraient plusieurs types à la fois.

Après avoir fait tourner ces simulations, le nombre de candidats viables a diminué de façon spectaculaire. Sur les 20 414 structures initiales, seule une poignée a passé tous les tests. L'équipe a identifié 11 matériaux prometteurs qui agissent comme des éponges sélectives pour des ions spécifiques. Par exemple, ils ont trouvé un matériau appelé molybdate de fer qui est très efficace pour saisir le lithium, un élément critique pour les batteries, tout en ignorant les autres ions. Ils ont également trouvé d'autres structures capables de capturer sélectivement le magnésium, le calcium, le sodium ou le potassium. Ces découvertes sont significatives car elles offrent une liste de recettes chimiques spécifiques que les expérimentateurs peuvent désormais tenter de construire et de tester dans le monde réel. Certains de ces matériaux sont déjà connus pour exister, tandis que d'autres sont des découvertes théoriques entièrement nouvelles que l'ordinateur suggère de tester.

L'étude a également cherché des matériaux capables d'agir comme des éponges générales pour le dessalement, éliminant tous les ions indésirables pour laisser une eau propre. Les chercheurs ont découvert qu'un matériau courant appelé phosphate de fer et d'olivine est le meilleur candidat pour cette tâche, capable de capturer quatre types d'ions différents simultanément. Cependant, ils ont explicitement écarté plusieurs autres matériaux actuellement utilisés dans la recherche, tels que certains composés à base de manganèse. Leurs simulations ont montré que ces matériaux au manganèse se dissoudraient dans l'eau de mer, les rendant inappropriés pour une utilisation à long terme. Cette distinction est cruciale, car elle empêche les scientifiques de perdre du temps à essayer d'améliorer des matériaux qui sont fondamentalement instables dans l'environnement océanique.

Les chercheurs ont également noté que leur liste est fortement influencée par les données disponibles dans leur bibliothèque numérique. Comme beaucoup plus de recherches ont été menées sur le lithium pour les batteries, il existe davantage de structures contenant du lithium, ce qui explique pourquoi la liste finale contient de nombreux candidats sélectifs au lithium. Ils ont reconnu que leurs modèles informatiques sont basés sur des conditions idéales et ne tiennent pas encore compte de la vitesse à laquelle les ions circulent à travers le matériau ou de la manière dont le matériau pourrait se dégrader après des années d'utilisation. Néanmoins, l'étude fournit une feuille de route thermodynamique robuste. Elle nous indique quels matériaux sont assez stables pour exister dans l'océan et lesquels sont susceptibles d'échouer, offrant un point de départ clair pour le développement de la prochaine génération de technologies permettant de récolter les ressources et de nettoyer notre eau.