Préparation et caractérisation de nanoparticules de lignine et leurs applications comme support pour la nanocatalyse et dans la préparation de films composites

Preparation and characterization of lignin nanoparticles (LNPs) and their applications in nanocatalysts and biocomposite films

• Auteur / Autrice : Zhao Zhang
• Direction : Erwann Guénin, Vincent Terrasson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Génie des Procédés : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA-4297)
• Date : Soutenance le 03/04/2023
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Transformations intégrées de la matière renouvelable

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chitosane

Sonification

Nanocatalyseurs

Nanoparticules

Lignine

Mots clés libres

Nanoparticulles de lignines

Propriétés catalytiques

Ultrasonication

Films bio-nanocomposites

Lignin nanoparticles

Nanocatalysts

Catalytic properties

Nanocomposites films

Ultrasonication

Chitosan

Résumé

Grâce à notre compréhension approfondie et continue de la pollution environnementale et de la crise des ressources, les propriétés renouvelables et dégradables des matériaux issus de la biomasse sont de plus en plus appréciées. En tant que deuxième matériau polymère naturel le plus abondant après la cellulose, la lignine a fait l'objet d'une attention considérable ces dernières années. Le développement de produits biosourcés à partir de lignine est une partie importante de tout concept global de bioraffinerie en raison de leur biocompatibilité et de leur biodégradabilité. Non seulement ils diversifient la combinaison de produits et de marchés, mais ils profitent également au recyclage des déchets et à la durabilité économique. Néanmoins, dans le monde, seulement 5 % de la lignine est explorée pour un développement à haute valeur ajoutée, la plupart étant utilisée uniquement comme combustible. Par conséquent, il existe encore de nombreux défis et opportunités pour la recherche et le développement approfondis des applications de la lignine. Plusieurs applications de la lignine sont intensivement étudiées principalement dans deux directions. L'une est la production de produits biosourcés à partir de la dépolymérisation de la lignine, mais cela est difficile pour les applications à haute valeur ajoutée en raison de la formation de sous-produits défavorables difficiles à séparer au cours du processus. Un autre est l'utilisation de la lignine dans les matériaux composites, mais cela est parfois entravé par la diversité des sources de lignine et la complexité de leur structure, ce qui peut rendre leur utilisation difficile. Cependant, cette dernière application ouvre de nombreuses opportunités pour des applications à haute valeur ajoutée de la lignine. Au cours des dernières décennies, grâce au développement des nanotechnologies, les nanomatériaux et les nanocomposites sont devenus des composants clés pour fournir de nouveaux matériaux performants avec des applications dans de nombreux domaines. Ainsi, en plus du rapport surface/volume amélioré, la transition de l'échelle microscopique à l'échelle nanométrique a apporté de nouvelles propriétés aux matériaux, en particulier des propriétés magnétiques, optiques et mécaniques, qui sont maintenant utilisées dans des applications généralisées en sciences des matériaux et biologiques. Par conséquent, sur la base des mêmes forces motrices qui ont émergé pour le développement de la nanocellulose en tant que nouveau matériau biosourcé avec de multiples utilisations industrielles pour remplacer les matériaux d'origine fossile, les nanoparticules de lignine (LNP) sont apparues comme des alternatives prometteuses aux produits chimiques et fossiles. produits pour certaines applications potentiellement à valeur ajoutée, qui bénéficient de leur diversité structurelle et de leur biodégradabilité. Par conséquent, les recherches sur les LNP et leurs nanocomposites se sont multipliées ces dernières années. Et les nanomatériaux à base de lignine commencent à être utilisés dans de nombreux domaines tels que l'emballage alimentaire, la biomédecine et la bioraffinerie. Différentes méthodes de préparation des LNP ont donc été développées, telles que la méthode de précipitation anti-solvant, l'auto-assemblage et la méthode de réticulation interfaciale. Cependant, les méthodes de préparation proposées dans la littérature souffrent de certains inconvénients et limitations. Ces méthodes existantes ne sont proposées que pour des types spécifiques de lignine, tels que la lignine kraft de résineux ou la lignine organosolv, mais ne conviennent pas à d'autres types de lignine différents. Les TNL de taille inhomogène, de morphologie irrégulière et de faible stabilité sont généralement obtenus dans les rapports existants, ce qui limite considérablement l'expansion des TNL pour les applications à haute valeur ajoutée.

With our continued in-depth understanding of the environmental pollution and resource crisis, the renewable and degradable properties of biomass materials are being increasingly valued. As the second most abundant natural polymer material after cellulose, lignin has received extensive attention in recent years. The development of bio-based products from lignin is an important part of any comprehensive biorefinery concept because of their biocompatibility and biodegradability. They not only diversify the combination of products and markets, but also benefit waste recycling and economic sustainability. Nevertheless, worldwide only 5% of the lignin is explored for high value development most of it being used only as combustible, therefore, there are still numerous challenges and opportunities for the profound research and development of lignin applications. Several applications of lignin are intensively studied mainly in two directions. One is the production of bio-based products from lignin depolymerization, but this is difficult for high-value applications due to the formation of unfavorabl by-products that are difficult to separate during the process. Another is the utilization of lignin in composite materials, but this is sometimes hampered by the diversity of lignin sources and the complexity of their structure, which can rende their utilization challenging. However, this latest application opens up numerous opportunities for high-value application of lignin. In the last few decades, as a result of the development in nanotechnology, nanomaterials and nanocomposites hav become key components to provide high-performance novel materials with applications in many fields. Hence, additionally to the enhanced surface/volume ratio, the transition from microscale to nanoscale has brought new properties to the materials, especially magnetic, optical and mechanical properties, which are now utilized in widesprea applications in material and biological science. Therefore, based on the same driving forces that have emerged for the development of nanocellulose as a novel bio-based material with multiple industrial uses to replace fossil-derived materials, lignin nanoparticles (LNPs) have emerged as promising alternatives to fossil-based chemicals and products for some potentially value-added applications, which benefits from their structural diversity and biodegradability. Hence, the research on I-NPS and their nanocomposites has been increasing in recent years. And lignin-based nanomaterials are starting to be used in many fields such as food packaging, biomedicine and biorefinery. Different preparation methods of I-NPS have therefore been developed, such as anti-solvent precipitation method, self-assembly and interfacial cross-linking method. However, the preparation methods proposed in the literature suffer from certain disadvantages and limitations. These existing methods are only proposed for specific types of lignin, such as softwood kraft lignin or organosolv lignin, but not suitable for other different types of lignin. I-NPS with inhomogeneous size, irregular morphology and poor stability are generally obtained in existing reports, which severely limit the expansio of I-NPS for high-value applications. In addition, the use of toxic organic solvents and non-green chemicals, such as THF and DMF, etc., damages the environment and violates the principle of green development. Therefore, new methodologies still need to be investigated. The high-value applications of I-NPS in the fields of nanocarriers, food packaging and biomedicine have attracted more and more attention due to their abundant sources, excellent antioxidant properties and biocompatibility. Although there have been a few reports on lignin or LNPs-supported silver or palladium nanoparticles as catalysts in the literature, there are currently no studies on I-NPS as nanoreactors to support metals in catalysis.