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Paris-Saclay
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Univ. Paris-Saclay

Sujet de stage / Master 2 Internship

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Nanogouttelettes minérales: mélangeurs microfluidiques ultrarapides comme outil d'investigation de leurs mécanismes de formation

Spécialité : / CHIMIE

Contact : CHEVALLARD Corinne,
e-Mail : corinne.chevallard@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 52 23
Laboratoire : NIMBE/LIONS

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-5 mois
Date limite de constitution de dossier : 30/03/2022

Résumé :
Par la mise en oeuvre de mélangeurs microfluidiques ultrarapides (t_mix < 1 ms), le stagiaire participera à l'étude d'une réaction de précipitation modélisant une étape-clé de la récupération des terres rares, permettant ainsi de caractériser la formation d'une nanophase liquide mis au jour très récemment.

Sujet détaillé :
Notre "économie verte" (photovoltaïque, batteries au lithium) repose en grande partie sur l'utilisation des terres rares (rare-earth, RE) ; mais l'extraction de ces éléments soulève de fortes préoccupations écologiques, et leur recyclage est rare. Tout progrès dans les processus de séparation et de précipitation sera ainsi bénéfique à l'équilibre environnemental mondial.

Notre récente étude de la co-précipitation des ions cérium par l'acide oxalique dans l'eau, étape-clé dans certains processus de récupération des RE, a mis au jour la formation spontanée de "nanogouttelettes minérales" juste après mélange des réactifs. Ces nanogouttelettes sont constituées d'un liquide riche en réactifs qui cristallise après plusieurs dizaines de secondes sous forme de particules d'oxalate de cérium. Cette nanophase, découverte tout récemment, pourrait permettre d'améliorer les processus de séparation et de récupération des terres rares, mais ses conditions et mécanismes de formation nécessitent une enquête plus approfondie.

Une caractérisation poussée implique notamment de pouvoir sonder le système juste après mélange, alors que le système est encore constitué d'ions libres. Ceci est réalisable grâce à des mélangeurs microfluidiques ultrarapides (t_mix < 1 ms), fabriqués à l'aide de techniques de lithographie douce, et récemment utilisés par notre équipe pour étudier la précipitation du carbonate de calcium par diffusion des rayons X.

L'objectif de ce stage est de mettre en place les conditions d'une utilisation de routine de ces mélangeurs microfluidiques dans le cadre de la séparation RE. À cette fin, nous prévoyons de 1) faciliter la production des mélangeurs microfluidiques grâce à l'utilisation de voies de fabrication alternatives ; 2) démontrer l'efficacité de ces mélangeurs pour déterminer les conditions et mécanismes d'apparition des nanogouttelettes minérales avec des techniques de laboratoire.

Références:
• Binnemans, K., et al. Journal of Cleaner Production, 2013, 51, 1-22.
• De Yoreo, J.J., et al. Sciences 2015, 349, aaa6760.
• Lu, Z., et al., Sens. Actuators B Chem. 2010, 144, 301-309.
Techniques utilisées au cours du stage :
Lithographie douce, chimie des solutions, microscopie optique, spectroscopie de luminescence, cryo-MET

Mots clés : Séparation des terres rares, co-précipitation, nucléation non-classique, microfluidique, microscopie optique rapide, cryo-MET mi

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