Sonder l’interface d’un liquide ionique avec l’eau pendant l’extraction – PROfILE

L'interface séparant une phase aqueuse d'une phase "huile" non miscible joue sans aucun doute un rôle vital dans des processus comme la catalyse par transfert de phase ou la séparation d'ions par extraction liquide-liquide (LL). L'interface n'est pas qu'une simple frontière, mais la nano-région très particulière de la solution où des espèces réactives (en catalyse) ou des ions et extractants (en extraction) devraient se rencontrer et interagir, avant leur transfert dans la phase qu'ils préfèrent. Certaines espèces (e.g. des ions "durs") sont repoussées par l'interface, alors que d'autres y sont attirées et s'y concentrent, pour y former des nano-milieux organisés, s'étendant des solutions "aléatoires" concentrées à des systèmes très structurés (mono- ou multi-couches, films, etc ….). Le paysage interfacial dépend du contenu précis des deux liquides juxtaposés et peut s'avérer complexe en constitution et structure.
Ce projet PROfiLE concerne plus précisément l'interface formée lors de l'extraction de cations métalliques par des ligands lipophiles ("extractants"), et vise à décrire aux niveaux nanoscopique et moléculaire les caractéristiques de l'interface eau- "huile" à différentes étapes de ce processus. Au lieu de liquides "huile" traditionnels, on choisit des Liquides Ioniques àtempérature ambiante ("LI") qui forment des systèmes biphasiques avec l'eau et extraient les ions avec davantage d'efficacité et de sélectivité. La séquence détaillée de réactions de complexation et transfert, et leur spécificité interfaciale, par rapport aux "huiles" classiques sont mal connues, rendant nécessaire le développement d'outils expérimentaux et "théoriques" conjoints. PROfiLE propose une nouvelle méthodologie visant à caractériser in situ une interface LL, et à définir le mécanisme de transfert interfacial dans le cas modèle sélectionné. PROfiLE combine des études de spectroscopie optique non-linéaire (SHG = Second Harmonic Generation), d'extraction et de tension de surface, et des simulations de dynamique moléculaire "DM". Le contenu précis des phases en équilibre sera analysé par spectroscopies (EXAFS, diffusion Hyper-Rayleigh "HRS", fluorescence, RMN, UV-vis), par analyse chimique, et par simulations. La combinaison de SGH et MD constitue une percée innovante pour étudier les interfaces eau-"huile" (ici eau-IL) à équilibre, et lors d'un processus multi-étapes complexe (l'extraction). Ce travail fondamental sera conduit par quatre équipes complémentaires: ILM, CMC, IPNL et IHPC.
Le projet se focalisera sur les LIs CnmimTf2N, formés de cations alkylimidazolium Cnmim+ (n = 8 et 4) et d'anions Tf2N-, contenant un ligand extractant de type BTP (bis-1,2,4-triazinyl pyridine), en équilibre avec une phase aqueuse acide. Le processus de transfert du cation Eu(III) de l'eau vers le LI, après complexation par les BTPs, et les modifications de l'interface, seront étudiés. Pour ce faire, on combinera les études spectroscopiques spécifiques à l'interface (SHG) avec le bilan précis du contenu des phases avant, pendant, et après l'extraction. Les résultats seront discutés sur la base des modélisations de DM, conduites conjointement sur des systèmes biphasiques de nature et composition cohérentes avec l'expérience. Ils permettront de comprendre au niveau microscopique comment la nature et la structure des interfaces évoluent lors du transfert de l'ion de l'eau vers "l'huile", et de préciser les mécanismes sous-jacents. La méthodologie développée dans ce projet aura un fort impact dans le domaine des interfaces LL. Les résultats obtenus enrichiront les domaines fleurissants de la séparation des ions métalliques (comme les terres rares) par de LIs, de la catalyse biphasique, et des LIs aux interfaces.