Progrès importants de l'INEST de Shanghai dans la conception de cellules d'électrolyse et la recherche sur les matériaux électrocatalytiques

Récemment, le Laboratoire national clé de l'énergie de fission nucléaire au thorium de l'Institut de physique appliquée de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences a réalisé des progrès importants dans le domaine de la conception de cellules d'électrolyse à séparation membranaire et des matériaux électrocatalytiques. Les chercheurs ont combiné la conception du réacteur de cellule d'électrolyse avec l'innovation en matériaux électrocatalytiques pour développer un système d'électrolyse en H à séparation par membrane échangeuse d'anions, basé sur des matériaux non poreux à charpente métallo-organique (MOFs), permettant une récupération électrochimique efficace des ressources en uranium et une dégradation complète des solvants d'éther organique dans les eaux usées d'éther organique contenant de l'uranium. Les résultats concernés, intitulés « Nonporous Metal-Organic Framework Enables Record-High Uranium Extraction and Complete Diglyme Degradation », ont été publiés dans la revue internationale de premier rang dans le domaine des matériaux Advanced Materials.

L'énergie nucléaire, en tant qu'énergie stable et bas carbone, voit son statut stratégique s'affirmer de plus en plus. Cependant, la production de combustible nucléaire, le retraitement du combustible usé ainsi que l'exploitation et le démantèlement des installations nucléaires génèrent de grandes quantités d'eaux usées contenant de l'uranium. Parmi celles-ci, le nettoyant organique utilisé dans les procédés de décontamination chimique, le diéthylène glycol diméthyl éther (diglyme), possède un point d'ébullition élevé, une grande stabilité chimique, est difficilement dégradable naturellement, et forme facilement des complexes stables avec les ions uranyle, ce qui imbrique étroitement la récupération des ressources en uranium et le traitement de la pollution organique, rendant le traitement extrêmement difficile. La plupart des matériaux traditionnels d'extraction électrochimique de l'uranium reposent sur des structures poreuses à grande surface spécifique, mais font face, dans des conditions complexes, à des goulots d'étranglement tels que le colmatage des pores et la désactivation structurelle, et il est difficile de traiter simultanément les substances organiques coexistantes. Cette étude, partant de la conception globale de la cellule d'électrolyse, propose une stratégie synergique « matériau d'électrode non poreux + cellule d'électrolyse à séparation membranaire » : un MOF non poreux (CuTTB-3) est utilisé comme matériau électrocatalytique cathodique, une membrane échangeuse d'anions sépare le compartiment anodique du compartiment cathodique pour construire une cellule d'électrolyse en H, et une plaque de platine commerciale est utilisée comme matériau anodique, séparant spatialement la capture cathodique de l'uranyle et l'oxydation anodique de l'éther organique (figure 1).

Cette conception de séparation spatiale évite fondamentalement l'interférence des intermédiaires de dégradation de l'éther organique sur l'extraction cathodique de l'uranium, permettant au système de réaliser une exploitation synergique et efficace de la récupération de l'uranium et de la dégradation de l'éther organique dans des eaux usées complexes contenant de fortes concentrations d'uranyle et d'éther organique : l'efficacité d'extraction de l'uranium atteint 99,8 % en 1 heure, la capacité d'extraction cumulée et la vitesse d'extraction établissent de nouveaux records parmi les matériaux déjà rapportés, et la minéralisation profonde de l'éther organique est simultanément achevée. En combinant la spectroscopie d'absorption des rayons X in situ, la spectroscopie infrarouge/Raman in situ et d'autres méthodes, le mécanisme d'extraction de l'uranium « enrichissement de surface − hydrolyse et polymérisation par alcalinisation locale − détachement en phase solide » et la voie de dégradation par oxydation anodique de l'éther organique ont été élucidés, confirmant que la robustesse structurelle de la charpente non poreuse dans des conditions électrochimiques, plutôt que la simple porosité élevée, est la clé d'une extraction électrochimique de l'uranium performante et durable. Ainsi, la cellule d'électrolyse devient un hub reliant l'énergie et les ressources : entraînée par l'électricité nucléaire et les énergies renouvelables, elle permet de « extraire l'uranium par l'électricité et traiter les déchets par l'électricité », offrant une voie industrialisable pour atténuer la dépendance aux mines d'uranium naturelles et construire un système énergétique avancé à complémentarité multi-énergies.

Le premier auteur de l'article est Lü Yingtong, doctorante en formation conjointe entre l'INEST de Shanghai et l'Université des sciences et technologies du Sud-Ouest ; les auteurs correspondants sont la chercheuse Zhang Linjuan, le chercheur associé Li Zijian et le chercheur Shuai Maobing (Institut de recherche sur les matériaux de l'Académie d'ingénierie physique de Chine). Cette recherche a été financée par le Laboratoire national clé de l'énergie de fission nucléaire au thorium, le programme stratégique pilote de l'Académie chinoise des sciences, le programme d'ascension pour les jeunes de la branche de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le programme national clé de recherche et développement, et a bénéficié des conseils et de l'aide du chercheur Hu Zhiwei de l'Institut de chimie physique des solides Max Planck en Allemagne.