Production hydrothermale de nanoparticules de ferrite de zinc multifonctionnelles comme engrais, électrode de supercondensateur et capteur NPK

Contexte académique

Avec la croissance continue de la population mondiale, il est prévu que la population atteindra 10 milliards d’ici 2050, en particulier dans les pays en développement, où la demande alimentaire augmentera considérablement. L’Inde, en tant que pays le plus peuplé du monde, doit augmenter sa production agricole de 50 % pour répondre aux besoins en nourriture, carburant et autres produits. Cependant, les agriculteurs sont confrontés à des défis liés à des ressources limitées et à un manque d’expertise, ce qui rend cruciale la question de l’augmentation de la production agricole dans des conditions limitées. Bien que l’utilisation d’engrais traditionnels ait dans une certaine mesure augmenté les rendements, elle a également entraîné des problèmes de sur-fertilisation, de pollution environnementale et de gaspillage des ressources. Par conséquent, le développement de nouveaux engrais efficaces est devenu une orientation importante de la recherche agricole.

Parallèlement, les technologies de stockage d’énergie se développent rapidement, et les supercondensateurs, en tant que dispositifs de stockage d’énergie efficaces, attirent l’attention en raison de leur haute densité de puissance et de leur longue durée de vie. Cependant, les performances des matériaux d’électrodes traditionnels restent à améliorer. Les nanomatériaux, en raison de leurs propriétés physico-chimiques uniques, montrent un potentiel énorme dans les domaines de l’agriculture et du stockage d’énergie. Le ferrite de zinc (ZnFe₂O₄), en tant que ferrite spinelle, possède d’excellentes propriétés électrochimiques et magnétiques, et a fait l’objet de recherches approfondies ces dernières années. Cependant, l’application des nanoparticules de ferrite de zinc comme engrais agricoles, électrodes de supercondensateurs et capteurs de nutriments du sol reste un sujet à explorer en profondeur.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par M. Ajitha, K. Selvarani, Subash C. B. Gopinath et T. Theivasanthi, respectivement issus du laboratoire de solutions graphènes de l’Académie de recherche et d’éducation de Kalasalingam en Inde, de la faculté des sciences agricoles, et de la faculté de génie chimique et technologique et de l’Institut de génie nanoélectronique de l’Université de Perlis en Malaisie. L’article a été accepté le 2 avril 2025 et publié dans la revue Bionanoscience, avec le DOI 10.1007/s12668-025-01925-3.

Processus de recherche

1. Synthèse et caractérisation des nanoparticules de ferrite de zinc

L’étude a d’abord synthétisé des nanoparticules de ZnFe₂O₄ par méthode hydrothermale. Les étapes spécifiques sont les suivantes : 1. Préparation des matériaux : Utilisation de nitrate de zinc (Zn(NO₃)₂), de nitrate de fer (Fe(NO₃)₃), d’hydroxyde de sodium (NaOH) et de bromure de cetyltriméthylammonium (CTAB) comme précurseurs. 2. Réaction hydrothermale : Les précurseurs sont dissous dans de l’eau distillée, mélangés, puis transférés dans un autoclave en téflon de 100 mL et chauffés à 165 °C pendant 16 heures. 3. Centrifugation et séchage : Après la réaction, une poudre brun foncé est obtenue par centrifugation et séchage.

Les nanoparticules synthétisées ont été caractérisées par diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), microscopie électronique à balayage (SEM) et spectroscopie à dispersion d’énergie des rayons X (EDAX). L’analyse XRD a confirmé la structure spinelle cubique des nanoparticules, avec une taille de cristallite de 40,11 nm. Le spectre FTIR a révélé les groupes fonctionnels présents dans l’échantillon, les images SEM ont montré la morphologie des nanoparticules, et l’analyse EDAX a confirmé les pourcentages atomiques de Zn et Fe.

2. Application des nanoparticules en agriculture

L’étude a évalué l’effet des nanoparticules de ZnFe₂O₄ comme engrais nano sur la croissance de tomates, d’épinards et de plusieurs variétés de millet. Les étapes expérimentales sont les suivantes : 1. Préparation de l’engrais nano : Les nanoparticules de ZnFe₂O₄ sont suspendues dans de l’eau distillée à une concentration de 5 µM, puis traitées par ultrasons pour assurer une distribution uniforme. 2. Traitement des plantes : L’engrais nano est appliqué au sol des tomates, du millet et des épinards, et la croissance des plantes est enregistrée régulièrement. 3. Mesure des paramètres de croissance : Après 5 semaines, la longueur des racines, des tiges, le nombre de feuilles et le poids sec des plantes sont mesurés.

Les résultats montrent que les plantes traitées avec l’engrais nano ZnFe₂O₄ présentent des paramètres de croissance significativement supérieurs à ceux du groupe témoin. Par exemple, la longueur des tiges de tomates est passée de 68 cm à 102 cm, la longueur des racines de 20 cm à 23,5 cm, et le nombre de feuilles de 92 à 164. L’engrais nano a amélioré l’efficacité d’absorption du zinc et du fer, favorisant ainsi la croissance et le rendement des plantes.

3. Application des nanoparticules dans les supercondensateurs

L’étude a également exploré les performances des nanoparticules de ZnFe₂O₄ comme électrodes de supercondensateurs. Les étapes expérimentales sont les suivantes : 1. Préparation des électrodes : 80 % en poids de nanoparticules de ZnFe₂O₄ sont mélangées à 5 % en poids de polyfluorure de vinylidène (PVDF) et 15 % en poids de noir d’acétylène, puis enduites sur une feuille de nickel et séchées pour les tests électrochimiques. 2. Tests électrochimiques : Les performances des électrodes sont évaluées par voltampérométrie cyclique (CV), charge-décharge galvanostatique (GCD) et spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) dans une solution de KOH 1 M.

Les résultats montrent que les électrodes de nanoparticules de ZnFe₂O₄ présentent une capacité spécifique de 360 F/g à une densité de courant de 1 A/g, et conservent 93,1 % de leur stabilité cyclique après 2400 cycles. Cela indique que les nanoparticules de ZnFe₂O₄ possèdent d’excellentes propriétés électrochimiques et une stabilité à long terme, les rendant adaptées aux supercondensateurs.

4. Application des nanoparticules dans les capteurs de nutriments du sol

L’étude a également développé un capteur de nutriments du sol basé sur les nanoparticules de ZnFe₂O₄ pour détecter les teneurs en azote (N), phosphore (P) et potassium (K). Les étapes expérimentales sont les suivantes : 1. Préparation du capteur : Les nanoparticules de ZnFe₂O₄ sont mélangées à des solutions de N, P et K à différentes concentrations, puis traitées par ultrasons pour l’analyse spectroscopique UV-Vis. 2. Analyse spectrale : Les spectres d’absorption dans la plage de 200 à 800 nm sont enregistrés, et les variations spectrales à différentes concentrations sont analysées.

Les résultats montrent que l’intensité des pics des spectres UV-Vis augmente avec la concentration de N, P et K. Cela indique que les nanoparticules de ZnFe₂O₄ peuvent servir de capteurs efficaces pour surveiller en temps réel les teneurs en nutriments du sol.

Résultats et conclusions

Les nanoparticules de ZnFe₂O₄ ont été synthétisées avec succès par méthode hydrothermale, et leur structure, morphologie et performances ont été caractérisées en détail. L’étude montre que les nanoparticules de ZnFe₂O₄ présentent des performances exceptionnelles dans les domaines de l’agriculture, du stockage d’énergie et de la détection des nutriments du sol : 1. Application agricole : En tant qu’engrais nano, ZnFe₂O₄ a significativement amélioré la croissance des tomates, du millet et des épinards, augmentant l’efficacité d’absorption des nutriments et le rendement des plantes. 2. Stockage d’énergie : En tant qu’électrodes de supercondensateurs, les nanoparticules de ZnFe₂O₄ ont montré une haute capacité spécifique et une excellente stabilité cyclique, les rendant adaptées aux dispositifs de stockage d’énergie efficaces. 3. Détection des nutriments du sol : En tant que capteurs NPK, les nanoparticules de ZnFe₂O₄ ont permis une surveillance en temps réel des teneurs en azote, phosphore et potassium dans le sol.

Points forts de l’étude

1. Applications multifonctionnelles : Cette étude est la première à appliquer les nanoparticules de ZnFe₂O₄ simultanément comme engrais agricoles, électrodes de supercondensateurs et capteurs de nutriments du sol, démontrant leur potentiel d’application dans plusieurs domaines.
2. Performances élevées : Les nanoparticules de ZnFe₂O₄ ont amélioré l’efficacité de la croissance des plantes en agriculture, montré une haute capacité spécifique et une longue durée de vie dans le stockage d’énergie, et permis une surveillance en temps réel des nutriments du sol.
3. Synthèse verte : La méthode hydrothermale utilisée pour synthétiser les nanoparticules de ZnFe₂O₄ est simple, peu coûteuse et adaptée à une production à grande échelle.

Importance de l’étude

Cette étude offre de nouvelles solutions pour les domaines de l’agriculture, du stockage d’énergie et de la détection des nutriments du sol. Les applications multifonctionnelles des nanoparticules de ZnFe₂O₄ améliorent non seulement l’efficacité de la production agricole, mais fournissent également des matériaux d’électrodes performants pour les dispositifs de stockage d’énergie, tout en permettant une surveillance en temps réel des nutriments du sol. Ces résultats sont d’une grande importance pour le développement de l’agriculture durable et des technologies d’énergie propre.