Liu a cependant identifié un matériau qui pourrait permettre l'extraction à partir de sources inexploitées. Elle s'intéresse aux saumures résiduelles des processus géothermiques et de dessalement, aux eaux usées issues de la fracturation hydraulique ou même à l'eau de mer, qui pourraient un jour fournir une énorme réserve de lithium, si elle peut être exploitée. Le grand défi, cependant, est que l'eau de mer a un rapport sodium/lithium d'environ 20 000 pour 1, ce qui est loin des sources actuelles qui ont des rapports de l'ordre de plusieurs centaines pour 1.
Selon Liu, il faudra beaucoup plus de recherche pour extraire des ions lithium de solutions à faible concentration en vue d’une utilisation commerciale. Mais ses efforts ont permis de faire d’énormes progrès vers une extraction plus efficace des ressources, déclare Matthew Tirrell, ingénieur moléculaire à l’Université de Chicago, qui a embauché Liu comme professeur adjoint en 2018. Et il ne s’agit pas seulement d’extraction du lithium : « Son travail ouvre la voie à d’autres processus impliquant des ions se déplaçant dans des espaces poreux et confinés », dit-il, avec des applications futures allant de la recherche de moyens d’accélérer les réactions chimiques au traitement potentiel des patients souffrant d’intoxication au mercure ou au plomb.
Sélection pour le lithium
La méthode utilisée par Liu, appelée intercalation électrochimique, n’a été utilisée que récemment pour extraire des ressources. Les chercheurs plongent d’abord un matériau rempli de canaux de la taille d’ions dans de l’eau saumâtre. Les ions lithium présents dans l’eau pénètrent dans le réseau de canaux du matériau et peuvent y être capturés. Mais l’eau saumâtre contient également des ions sodium, entre autres, qui se frayent un chemin dans ces canaux, réduisant ainsi la quantité de lithium pouvant être absorbée.
Liu a commencé à rechercher un matériau de trempage idéal vers 2016 lors de son travail postdoctoral à l'Université de Stanford. Elle savait qu'il était important de bien faire les choses : « La propriété de ce matériau déterminera le degré de sélectivité [for lithium] « Nous pouvons obtenir des matériaux de lithium de haute qualité et quelle source d’eau nous pouvons utiliser », explique Liu. Plus la sélectivité est élevée, plus le lithium est capturé. Elle a donc épluché la littérature scientifique pour trouver un matériau qui corresponde à ses critères. Il devait être stable dans l’eau et conserver sa structure même lorsqu’il était rempli d’ions.
Elle a finalement opté pour le phosphate de fer. L’oxygène du phosphate de fer se lie plus facilement au lithium qu’aux ions sodium concurrents. Les ions sodium plus gros peuvent élargir les canaux, mais les liaisons lithium-oxygène maintiennent les canaux petits et réceptifs à davantage de lithium. Une fois le matériau rempli d’ions, il est transféré dans l’eau douce où les chercheurs appliquent des courants électriques pour expulser les ions. Ils ajoutent ensuite un hydroxyde, qui se combine au lithium pour former de l’hydroxyde de lithium solide, la matière première utilisée dans les batteries des véhicules électriques.
La quantité de lithium que le phosphate de fer peut actuellement extraire est « spectaculaire », déclare le physicien Steven Chu de l’Université de Stanford. Chu, ancien secrétaire américain à l’Énergie, a travaillé avec Liu pendant ses recherches postdoctorales. « Après avoir fait cela, vous pouvez vous reposer sur vos lauriers et dire : « C’est formidable. » Mais elle est également motivée par la volonté de Liu de continuer à produire du lithium. [to ask]« Est-ce que ce sera pratique ? »
Dans son laboratoire de Chicago, Liu s'efforce de rendre le matériau plus efficace. Son équipe étudie la manière dont les ions lithium et sodium pénètrent dans les trous du matériau, dans quel ordre et comment ils interagissent à l'intérieur du matériau. En comprenant mieux le comportement des ions, explique Liu, l'équipe peut améliorer les performances du matériau.
L'exploration au service de la compréhension
L'équipe de Liu développe également une nouvelle méthode de séparation des terres rares, qui, selon elle, est « en réalité plus difficile » que l'extraction du lithium. Ces 17 éléments sont essentiels aux technologies modernes, notamment aux éoliennes et aux smartphones (SN: 16/01/23). Mais souvent trouvés ensemble, ils doivent être séparés – une tâche difficile en raison de leur taille et de leur chimie similaires.
Outre ces deux méthodes, une grande partie du travail du laboratoire se concentre sur la science des matériaux de base. « Nous accumulons de plus en plus de connaissances, ce qui nous permet de commencer à faire des prévisions », explique-t-elle. C'est ainsi qu'elle a choisi le phosphate de fer : après de nombreuses recherches, c'est le premier matériau que l'équipe a testé.
C'est cette compréhension profonde qui fait que Liu se démarque, explique Chu. Il y a « un petit nombre de personnes auxquelles on veut prêter attention » parce qu'elles proposent souvent des approches nouvelles et intelligentes, dit-il, « et elle en fait partie ».
Liu n’a pas toujours rêvé de devenir spécialiste des matériaux, ni même professeur. Mais au cours de son doctorat à Stanford, elle s’est rendu compte qu’elle adorait l’environnement de la recherche. « J’aime vraiment résoudre des énigmes », dit-elle. « Cela m’a fait décider que je voulais probablement faire ce métier toute ma vie. C’est amusant. »
Le week-end, elle s'amuse différemment : elle joue aux Legos ou fait du vélo avec ses enfants. Elle a commencé à enseigner à son fils le système solaire et la photosynthèse. « Nous essayons de voir si nous pouvons garder le côté ludique, dit-elle, tout en y ajoutant un peu de science. »
