Exploitation des effets des nanoparticules de CeO2 (IV) dopées au CD et revêtues d'Ag pour une réduction améliorée du nitrophénol, une dégradation photocatalytique et d'autres applications biologiques potentielles

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green synthesis CeO2 HRTEM photocatalytic degradation catalytic reduction Cymbopogon

Contexte académique

Avec le développement rapide des nanotechnologies, le potentiel d’application des nanomatériaux dans des domaines tels que la réparation environnementale, la biomédecine et la conversion d’énergie attire de plus en plus l’attention. Parmi eux, les nanoparticules de dioxyde de cérium (CeO₂) sont devenues un point de majeure en raison de leurs propriétés uniques d’oxydoréduction, de leur haute stabilité et de leur bonne biocompatibilité. Cependant, les méthodes de synthèse chimique traditionnelles utilisent souvent des réactifs toxiques et génèrent des sous-produits nocifs, ce qui a un impact négatif sur l’environnement. Par conséquent, le développement d’une méthode de synthèse de nanoparticules respectueuse de l’environnement et durable est devenu un objectif clé de la recherche actuelle.

La synthèse verte (Green Synthesis) utilise des extraits de plantes comme agents réducteurs et agents de passivation, réduisant ainsi la dépendance aux produits chimiques nocifs tout en améliorant la biocompatibilité des nanoparticules. Cette étude vise à synthétiser des nanoparticules de CeO₂ par une méthode de synthèse verte et à améliorer leurs performances photocatalytiques, catalytiques et biomédicales par dopage au cadmium (Cd) et revêtement d’argent (Ag), explorant ainsi leur potentiel d’application dans les domaines de la réparation environnementale et de la biomédecine.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Pranali S. Parab, Aniket A. Pawanoji, Komal R. Jarhad et Amol S. Pawar, tous issus du département de chimie du K. J. Somaiya College of Science and Commerce à Mumbai, en Inde. L’article a été accepté le 18 mars 2025 et publié dans la revue Bionanoscience, avec le DOI 10.1007/s12668-025-01909-3.

Processus de recherche

1. Synthèse verte des nanoparticules

Cette étude utilise un extrait de feuilles de citronnelle (Cymbopogon citratus) comme agent réducteur et agent de passivation pour synthétiser des nanoparticules de CeO₂ non dopées, des nanoparticules de CeO₂ dopées au Cd (Cd-CeO₂) et des nanoparticules de CeO₂ revêtues d’Ag (CeO₂-Ag). Les étapes spécifiques sont les suivantes :

  • Préparation de l’extrait de feuilles de citronnelle : 50 grammes de feuilles de citronnelle sont hachés, mélangés à 250 ml d’eau distillée, chauffés à 80-90°C, agités pendant 15-20 minutes, puis filtrés et réfrigérés.
  • Synthèse des nanoparticules de CeO₂ non dopées : 20 ml d’une solution de nitrate de cérium 0,1 M sont mélangés à l’extrait de feuilles de citronnelle, agités à 60-70°C pendant 2 heures, séchés, puis calcinés à 600°C pendant 2 heures.
  • Synthèse des nanoparticules de CeO₂ revêtues d’Ag : Une solution de nitrate d’argent à 5 % est ajoutée au mélange de synthèse des nanoparticules de CeO₂ non dopées, agité pendant 12 heures, centrifugé, puis séché.
  • Synthèse des nanoparticules de CeO₂ dopées au Cd : Une solution de sulfate de cadmium à 5 % est ajoutée au mélange de synthèse des nanoparticules de CeO₂ non dopées, agité pendant 4 heures, centrifugé, puis calciné à 500°C pendant 2 heures.

2. Caractérisation des nanoparticules

Les nanoparticules synthétisées sont caractérisées par diverses techniques, notamment la spectroscopie UV-Vis, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à balayage (SEM), la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) et la spectroscopie à dispersion d’énergie des rayons X (EDAX). Les résultats montrent que la bande interdite des nanoparticules de CeO₂ non dopées est de 2,91 eV, tandis que celle des nanoparticules Cd-CeO₂ et CeO₂-Ag est réduite respectivement à 2,64 eV et 2,38 eV, indiquant que le dopage et le revêtement ont efficacement modulé les propriétés optoélectroniques des nanoparticules. L’analyse XRD confirme la haute pureté et la structure cubique de fluorine des nanoparticules, et les images SEM et HRTEM montrent que les nanoparticules sont sphériques, avec une taille comprise entre 3 et 20 nm.

3. Expériences de réduction catalytique et de dégradation photocatalytique

  • Réduction catalytique du 4-nitrophénol (4-NP) : Les nanoparticules de CeO₂ non dopées et revêtues d’Ag sont utilisées comme catalyseurs pour réduire le 4-NP en 4-aminophénol (4-AP) en présence de borohydrure de sodium (NaBH₄). Les résultats expérimentaux montrent que l’efficacité catalytique des nanoparticules CeO₂-Ag atteint 96,53 %.
  • Dégradation photocatalytique du bleu de méthylène (MB) : Les nanoparticules de CeO₂ non dopées et dopées au Cd sont utilisées comme photocatalyseurs pour dégrader le colorant MB sous irradiation UV. Les résultats montrent que l’efficacité de dégradation des nanoparticules Cd-CeO₂ est de 89,56 %.

4. Applications biomédicales

  • Activité antioxydante : L’activité antioxydante des nanoparticules est évaluée par un test de piégeage des radicaux DPPH, montrant une activité antioxydante de 70 % ± 2 %.
  • Activité antibactérienne : L’activité antibactérienne des nanoparticules est évaluée par la méthode de diffusion sur gélose contre des bactéries Gram-positives (comme Staphylococcus aureus) et Gram-négatives (comme Escherichia coli). Les résultats montrent que le diamètre de la zone d’inhibition dépasse 17 ± 2 mm.
  • Test d’hémolyse : L’activité hémolytique des nanoparticules est évaluée, montrant un taux d’hémolyse inférieur à 5 %, indiquant une bonne biocompatibilité.

Résultats principaux et conclusions

Cette étude a réussi à synthétiser des nanoparticules de CeO₂ par une méthode de synthèse verte et a significativement amélioré leurs performances catalytiques, photocatalytiques et biomédicales par dopage au Cd et revêtement d’Ag. Les conclusions spécifiques sont les suivantes :

  1. Performances catalytiques : Les nanoparticules de CeO₂ revêtues d’Ag montrent une efficacité élevée dans la réduction catalytique du 4-NP, avec un taux de conversion de 96,53 % ; les nanoparticules de Cd-CeO₂ montrent des performances exceptionnelles dans la dégradation photocatalytique du MB, avec une efficacité de dégradation de 89,56 %.
  2. Performances biomédicales : Les nanoparticules montrent une activité antioxydante et antibactérienne significative, avec un faible taux d’hémolyse, indiquant un potentiel d’application dans le domaine biomédical.
  3. Avantages de la synthèse verte : L’extrait de feuilles de citronnelle utilisé comme agent réducteur et agent de passivation simplifie non seulement le processus de synthèse, mais améliore également la biocompatibilité et la respectueuse de l’environnement des nanoparticules.

Points forts de la recherche

  1. Méthode de synthèse verte : Cette étude est la première à utiliser un extrait de feuilles de citronnelle pour synthétiser des nanoparticules de CeO₂ et à moduler leurs performances par dopage et revêtement, offrant une nouvelle approche pour la synthèse verte de nanomatériaux.
  2. Nanoparticules multifonctionnelles : Les nanoparticules synthétisées montrent des performances exceptionnelles dans les domaines catalytiques, photocatalytiques et biomédicaux, avec un large potentiel d’application.
  3. Respect de l’environnement : La méthode de synthèse verte réduit la dépendance aux produits chimiques nocifs, s’alignant sur les principes du développement durable.

Signification et valeur de la recherche

Cette étude fournit non seulement une nouvelle méthode pour la synthèse verte des nanoparticules de CeO₂, mais améliore également significativement leurs performances grâce aux techniques de dopage et de revêtement, offrant des solutions efficaces et respectueuses de l’environnement pour la réparation environnementale et les applications biomédicales. Les recherches futures pourraient optimiser davantage les paramètres de synthèse et explorer le potentiel d’application des nanoparticules dans davantage de domaines.

Grâce à ce rapport détaillé, nous pouvons voir que les nanoparticules synthétisées de manière verte ont non seulement une valeur scientifique, mais montrent également un énorme potentiel dans les applications pratiques, offrant de nouvelles orientations pour le développement futur des nanotechnologies.