Rôle du RGO et du RGO-Pt comme électrocatalyseurs attractifs pour la réduction électrochimique efficace de U(VI) en HNO3

Transformer les déchets nucléaires en ressource utile

L’énergie nucléaire peut fournir beaucoup d’électricité sans émissions de gaz à effet de serre, mais elle laisse des combustibles usés difficiles à gérer. Ces combustibles contiennent encore de l’uranium et du plutonium précieux qui peuvent être recyclés si l’on parvient à les séparer proprement et en toute sécurité. L’article présenté ici étudie une méthode plus intelligente pour préparer une forme spéciale d’uranium nécessaire dans les usines de retraitement, en utilisant des matériaux carbonés modernes pour rendre l’opération plus rapide et moins génératrice de déchets.

Pourquoi cette forme d’uranium est importante

Lorsque les éléments combustibles usés sortent d’un réacteur, ils renferment un mélange d’uranium, de plutonium et de nombreux produits de fission très radioactifs. Beaucoup de pays utilisent un schéma chimique appelé procédé PUREX pour récupérer l’uranium et le plutonium afin de les réutiliser et de réduire le risque à long terme des déchets. Une étape clé de ce procédé repose sur une forme d’uranium appelée U(IV), qui sert d’agent réducteur pour modifier l’état du plutonium et permettre sa séparation de l’uranium. Produire de manière fiable suffisamment d’U(IV), sans ajouter de produits chimiques supplémentaires au flux de déchets, est donc central pour un recyclage efficace du combustible nucléaire.

Limites des électrodes actuelles

Les usines de retraitement actuelles produisent souvent de l’U(IV) en faisant traverser un courant électrique à travers une solution d’acide nitrique contenant de l’uranium. Des plaques métalliques en titane, ou parfois en platine, servent d’électrode négative où l’uranium est réduit en U(IV). Ces matériaux nécessitent cependant une forte « poussée » en tension avant que la réaction n’avance à une vitesse utile. À ces hautes tensions, ils favorisent aussi la libération d’hydrogène par la solution au lieu de se concentrer sur la transformation de l’uranium. Cette réaction secondaire gaspille de l’électricité et réduit la fraction de courant réellement consacrée à la formation d’U(IV), une grandeur appelée efficacité faradique.

Nouveaux feuillets de carbone avec de petits assistants métalliques

Les chercheurs ont exploré un type d’électrode différent, constitué de feuillets minces de carbone connus sous le nom d’oxyde de graphène réduit, ou RGO. Ces feuillets offrent une grande surface et un bon contact électrique. L’équipe a aussi préparé des versions où de minuscules particules de platine sont réparties sur le carbone, formant des matériaux RGO-Pt avec une teneur en platine contrôlée. Au moyen d’une série d’outils de microscopie et de spectroscopie, ils ont confirmé que les feuillets carbonés étaient bien formés, que les particules de platine mesuraient seulement quelques milliardièmes de mètre et que les deux composants étaient étroitement intégrés.

Comment ces nouvelles électrodes modifient la réaction

En réalisant des balayages de tension détaillés et en mesurant le courant et la résistance électrique, les auteurs ont montré que l’uranium se comporte différemment sur le RGO que sur le métal pur. Sur du titane ou du platine standard, l’uranium est réduit en deux étapes distinctes, en passant par une forme intermédiaire qui peut ralentir le processus. Sur le RGO, la même transformation de U(VI) en U(IV) se produit en une seule étape combinée, aidée par des sites contenant de l’oxygène à la surface du carbone qui stabilisent l’intermédiaire éphémère. Cette voie en une étape, associée à une résistance globale plus faible, permet à la réaction d’avoir lieu à une tension plus basse. Lorsque des nanoparticules de platine sont ajoutées au carbone, le courant à des tensions modestes devient encore plus élevé, bien que cela tende aussi à accélérer la formation d’hydrogène.

Équilibrer vitesse et gaz indésirable

L’étude a comparé la facilité de formation de bulles d’hydrogène sur chaque matériau et a constaté que le RGO nu supprime fortement cette réaction secondaire. Le RGO-Pt et le platine pur, en revanche, sont très efficaces pour produire de l’hydrogène, ce qui est à double tranchant : utile dans certaines technologies, mais préjudiciable ici car cela détourne le courant destiné à l’uranium. Cela signifie que le meilleur choix d’électrode dépend des conditions d’exploitation. Si le procédé fonctionne à tension relativement faible et à des cadences modérées, le RGO-Pt offre une grande vitesse. À des tensions plus élevées, lorsque les usines de retraitement recherchent des débits très importants, le RGO nu est plus attractif car il limite l’hydrogène et dirige une plus grande part de l’énergie électrique vers la formation d’U(IV).

Ce que cela signifie pour le recyclage du combustible nucléaire

Pour un lecteur non spécialiste, le message clé est que des feuillets de carbone soigneusement conçus, avec ou sans petites particules métalliques, peuvent orienter une étape importante de la chimie nucléaire vers une voie plus efficace. En réduisant le coût énergétique et en limitant la formation de gaz gaspilleur, les électrodes à base de RGO pourraient aider les futures usines de retraitement à produire la forme d’uranium requise de manière plus propre et à plus grande échelle. Cela soutient, à son tour, un recyclage du combustible nucléaire plus sûr et plus économe en ressources, aidant l’énergie nucléaire à contribuer à une électricité bas carbone tout en maîtrisant mieux ses déchets de longue durée.

Citation: Pal, K.K., Ghosh, C., Pandian, R. et al. Role of RGO and RGO-Pt as an attractive electrocatalyst for efficient electrochemical reduction of U(VI) in HNO₃. Sci Rep 16, 15729 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32358-3

Mots-clés: réduction de l’uranium, électrocatalyse, retraitement du combustible nucléaire, électrodes en graphène, processus PUREX