Propriétés structurales, optiques et antibactériennes du NiO et du NiO dopé au BaO préparés par la méthode de co-précipitation

Contexte académique

L’oxyde de nickel (NiO), en tant que semi-conducteur de type p, a attiré l’attention en raison de ses excellentes propriétés optiques, de sa stabilité chimique et de ses applications étendues dans les domaines de l’optoélectronique, de la photocatalyse et des biocapteurs. La haute transparence, la conductivité électrique ajustable et la large bande interdite du NiO en font un matériau idéal pour les cellules solaires, les photodétecteurs et les systèmes de stockage d’énergie. Cependant, les propriétés antibactériennes du NiO et son potentiel d’application dans le domaine biomédical nécessitent encore des recherches approfondies. Bien que des études aient montré que le NiO peut inhiber la croissance bactérienne par la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), son efficacité antibactérienne est influencée par des facteurs tels que la taille des cristaux, la densité des défauts et la structure de surface.

Ces dernières années, la technique de dopage a été largement utilisée pour optimiser les performances du NiO. Le BaO (oxyde de baryum) est considéré comme un dopant capable d’améliorer les propriétés optiques du NiO, mais son impact sur les propriétés antibactériennes du NiO n’a pas encore été suffisamment étudié. Par conséquent, cette étude vise à synthétiser des nanoparticules de NiO pur et de NiO dopé au BaO (Ba-NiO) par la méthode de coprécipitation, afin d’étudier systématiquement l’influence du dopage au BaO sur la structure, les propriétés optiques et les propriétés antibactériennes du NiO, fournissant ainsi une base théorique pour l’optimisation des matériaux à base de NiO dans les domaines de la biotechnologie et des applications connexes.

Source de l’article

Cette étude a été réalisée par Sreenivasa Kumar Godlaveeti, N. Rajesh, Mohamed Ouladsmane, Ahmed M. Aljuwayid, K. Riazunnisa, Shaik Mohammed Azharuddin et Rajababu Chintaparty. L’équipe de recherche provient respectivement de l’École d’ingénierie énergétique et de puissance de l’Université de technologie de Dalian, du Département de biotechnologie et de bioinformatique de l’Université Yogi Vemana, du Département de physique du Rajeev Gandhi Memorial College of Engineering and Technology, du Département de chimie de l’Université King Saud et du Département de physique de l’Université Annamacharya. L’article a été accepté le 25 mars 2025 par la revue Bionanoscience de Springer Nature et publié la même année.

Processus de recherche

1. Synthèse des matériaux

L’étude a utilisé la méthode de coprécipitation pour synthétiser des nanoparticules de NiO pur et de NiO dopé au BaO. Les étapes spécifiques sont les suivantes : - Préparation des réactifs : L’acétate de nickel tétrahydraté (Ni(C₂H₃O₂)₂·4H₂O) et le chlorure de baryum dihydraté (BaCl₂·2H₂O) de qualité analytique ont été utilisés comme matières premières, et l’hydroxyde de sodium (NaOH) comme agent de précipitation. - Préparation des solutions : Des solutions de 1 M d’acétate de nickel et de 4 M de NaOH ont été dissoutes séparément dans de l’eau distillée, avec un rapport molaire de 1:4. - Réaction de coprécipitation : Sous agitation magnétique, la solution de NaOH a été ajoutée lentement à la solution d’acétate de nickel pour assurer une précipitation uniforme. Le précipité a été filtré, lavé, puis séché à 90°C pendant 3 heures. - Traitement de calcination : Le matériau séché a été calciné à 800°C pendant 2 heures pour obtenir du NiO pur. Le NiO dopé au BaO a été préparé en suivant la même méthode, avec un taux de dopage de 5%.

2. Caractérisation structurelle

• Analyse par diffraction des rayons X (XRD) : L’analyse XRD a révélé que le NiO pur possède une structure cubique à faces centrées (FCC), tandis que le dopage au BaO a introduit des pics de diffraction supplémentaires, indiquant que les ions Ba²⁺ ont été intégrés avec succès dans le réseau du NiO.
• Analyse par microscopie électronique à transmission (TEM) : Les images TEM ont montré que les nanoparticules de NiO pur sont de forme sphérique, tandis que le Ba-NiO présente une morphologie mixte de sphères et de nanobâtonnets.
• Cartographie élémentaire et analyse par spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS) : L’analyse EDS a confirmé la présence de Ba dans l’échantillon dopé, avec un pourcentage atomique de 0,17% et un pourcentage en poids de 0,72%.

3. Étude des propriétés optiques

• Spectroscopie d’absorption UV-visible : Le bord d’absorption du NiO pur se situe à 313 nm, tandis que celui du Ba-NiO présente un décalage vers le rouge, indiquant une réduction de l’énergie de la bande interdite.
• Analyse par diagramme de Tauc : Le diagramme de Tauc a permis de calculer l’énergie de la bande interdite, qui est de 3,0 eV pour le NiO pur et légèrement réduite pour le Ba-NiO.

4. Tests des propriétés antibactériennes

• Conception expérimentale : La méthode de diffusion sur gélose a été utilisée pour évaluer l’activité antibactérienne des nanoparticules de NiO et de Ba-NiO contre Escherichia coli (E. coli) et Bacillus subtilis.
• Analyse des résultats : Le NiO pur a montré des zones d’inhibition plus grandes à toutes les concentrations, indiquant une activité antibactérienne supérieure à celle du Ba-NiO.

Principaux résultats

1. Analyse structurelle

Le dopage au BaO a significativement modifié la structure cristalline du NiO, entraînant des distorsions du réseau et une amélioration de la cristallinité. Les analyses XRD et TEM ont montré que la taille des grains du Ba-NiO a augmenté et que sa morphologie est passée de sphérique à un mélange de sphères et de nanobâtonnets.

2. Propriétés optiques

Le dopage au BaO a provoqué un décalage vers le rouge du bord d’absorption du NiO, réduisant ainsi l’énergie de la bande interdite. Ce changement est lié à l’amélioration de la cristallinité et à la réduction de la densité des défauts induites par le dopage au BaO.

3. Propriétés antibactériennes

Le NiO pur a montré une activité antibactérienne plus élevée, attribuée à sa plus grande densité de défauts et à sa surface spécifique plus importante. Bien que le dopage au BaO ait amélioré les propriétés optiques, il a légèrement réduit l’efficacité antibactérienne.

Conclusion de l’étude

Cette étude a réussi à synthétiser des nanoparticules de NiO pur et de NiO dopé au BaO par la méthode de coprécipitation, et a examiné systématiquement l’influence du dopage au BaO sur la structure, les propriétés optiques et les propriétés antibactériennes du NiO. Les résultats montrent que le dopage au BaO améliore significativement les propriétés optiques du NiO, mais réduit légèrement son activité antibactérienne. Le NiO pur, grâce à sa plus grande densité de défauts et à sa surface spécifique plus importante, présente des propriétés antibactériennes supérieures. Ces découvertes fournissent des références importantes pour l’optimisation des matériaux à base de NiO dans les domaines biomédicaux, de la photocatalyse et de la gestion de l’environnement.

Points forts de l’étude

1. Méthode de synthèse innovante : Utilisation de la méthode de coprécipitation pour synthétiser de manière efficace et économique des nanoparticules de NiO pur et de NiO dopé au BaO.
2. Étude systématique des performances : Première étude systématique de l’influence du dopage au BaO sur la structure, les propriétés optiques et les propriétés antibactériennes du NiO.
3. Potentiel d’application : Les résultats de l’étude fournissent une base théorique pour le développement de matériaux antibactériens et photocatalytiques à base de NiO performants.

Valeur de l’étude

La valeur scientifique de cette étude réside dans la mise en lumière des multiples effets du dopage au BaO sur les performances du NiO, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour la conception et l’optimisation des matériaux. Sa valeur appliquée réside dans la fourniture de candidats matériaux potentiels pour le développement de revêtements antibactériens efficaces, de matériaux photocatalytiques et de dispositifs de stockage d’énergie. Les recherches futures pourraient explorer davantage l’impact de différentes concentrations de dopage et de matériaux composites pour élargir leur champ d’application.

Autres informations utiles

Les données expérimentales et les méthodes d’analyse de cette étude servent de modèle de référence pour des recherches similaires sur des matériaux. De plus, l’équipe de recherche prévoit d’explorer davantage l’impact d’autres dopants sur les performances du NiO afin d’étendre son champ d’application.