Transformer les déchets de poisson en nanomatériaux de qualité à base de carbone

Grâce à leur faible toxicité, leur stabilité chimique et leurs remarquables propriétés électriques et optiques, les nanomatériaux à base de carbone trouvent de plus en plus d’applications dans l’électronique, la conversion et le stockage de l’énergie, la catalyse et la biomédecine. Les nano-onions de carbone (CNO) ne font certainement pas exception. Signalés pour la première fois en 1980, les CNO sont des nanostructures composées de coquilles concentriques de fullerènes, ressemblant à des cages dans des cages. Ils présentent de multiples qualités attrayantes, telles qu’une surface élevée et de grandes conductivités électrique et thermique.

Malheureusement, les méthodes conventionnelles de production des CNO présentent de sérieux inconvénients. Certaines nécessitent des conditions de synthèse difficiles, comme des températures élevées ou le vide, tandis que d’autres demandent beaucoup de temps et d’énergie. Certaines techniques peuvent contourner ces limitations, mais elles font appel à des catalyseurs complexes, à des sources de carbone coûteuses ou à des conditions acides ou basiques dangereuses. Cela limite considérablement le potentiel des oxydes d’azote.

Dans une étude récente publiée dans la revue Green Chemistry, une équipe de scientifiques de l’Institut de technologie de Nagoya au Japon a trouvé un moyen simple et pratique de transformer les déchets de poisson en CNO de très haute qualité. L’équipe, qui comprenait le professeur adjoint Yunzi Xin, l’étudiant en maîtrise Kai Odachi et le professeur associé Takashi Shirai, a mis au point une voie de synthèse dans laquelle les écailles de poisson extraites des déchets de poisson après nettoyage sont converties en CNO en quelques secondes seulement par pyrolyse à micro-ondes.

Mais comment les écailles de poisson peuvent-elles être transformées en CNO aussi facilement ? Bien que la raison exacte ne soit pas tout à fait claire, l’équipe pense que cela est dû au collagène contenu dans les écailles de poisson, qui peut absorber suffisamment de rayonnement micro-ondes pour produire une augmentation rapide de la température. Cela entraîne une décomposition thermique ou « pyrolyse« , qui produit certains gaz favorisant l’assemblage des CNO. Ce qui est remarquable dans cette approche, c’est qu’elle ne nécessite pas de catalyseurs complexes, ni de conditions difficiles, ni de temps d’attente prolongé ; les écailles de poisson peuvent être transformées en CNO en moins de 10 secondes !

En outre, ce procédé de synthèse permet d’obtenir des oxydes d’azote de très haute cristallinité. Ceci est remarquablement difficile à obtenir dans les procédés qui utilisent des déchets de biomasse comme matière première. De plus, au cours de la synthèse, la surface des CNO est sélectivement et complètement fonctionnalisée avec des groupes (-COOH) et (-OH). Cela contraste fortement avec la surface des ONC préparés par des méthodes conventionnelles, qui est généralement nue et doit être fonctionnalisée par des étapes supplémentaires.

Cette fonctionnalisation « automatique » a des implications importantes pour les applications des oxydes de nickel. Lorsque la surface des oxydes de nickel n’est pas fonctionnalisée, les nanostructures ont tendance à se coller les unes aux autres en raison d’une interaction attractive connue sous le nom d’empilement pi-pi. Il est donc difficile de les disperser dans des solvants, ce qui est nécessaire dans toute application nécessitant des procédés en solution. Cependant, puisque le procédé de synthèse proposé produit des CNO fonctionnalisés, il permet une excellente dispersibilité dans divers solvants.

Un autre avantage associé à la fonctionnalisation et à la haute cristallinité est celui des propriétés optiques exceptionnelles. Le Dr Shirai explique : « Les CNOs présentent une émission de lumière visible ultra-brillante avec une efficacité (ou rendement quantique) de 40%. Cette valeur, qui n’a jamais été atteinte auparavant, est environ 10 fois plus élevée que celle des ONC synthétisés par des méthodes conventionnelles et rapportés précédemment.« 

Pour illustrer certaines des nombreuses applications pratiques de leurs ONC, l’équipe a démontré leur utilisation dans des LED et des films minces émettant de la lumière bleue. Les ONC ont produit une émission très stable, tant à l’intérieur de dispositifs solides que lorsqu’ils étaient dispersés dans divers solvants, notamment l’eau, l’éthanol et l’isopropanol. « Les propriétés optiques stables pourraient nous permettre de fabriquer des films souples émissifs de grande surface et des dispositifs LED« , spécule le Dr Shirai. « Ces résultats ouvriront de nouvelles voies pour le développement des écrans de nouvelle génération et de l’éclairage à semi-conducteurs. »

En outre, la technique de synthèse proposée est respectueuse de l’environnement et constitue un moyen direct de convertir les déchets de poisson en matériaux infiniment plus utiles. L’équipe estime que ses travaux contribueraient à la réalisation de plusieurs des objectifs de développement durable des Nations unies. En outre, si les ONC font leur chemin dans les éclairages LED de nouvelle génération et les écrans QLED, ils pourraient grandement contribuer à réduire leurs coûts de fabrication.

CREDIT
Takashi Shirai from NITech, Japan

JOURNAL : Green Chemistry
DOI : 10.1039/d1gc04785j
ARTICLE TITLE : Fabrication of ultra-bright carbon nano-onions via a one-step microwave pyrolysis of fish scale waste in seconds