Synthèse par procédés doux d'oxydes de Cuivre pour des applications biocides et catalytiques

Copper oxides synthesis by soft processes for biocidal and catalytic applications

• Auteur / Autrice : Kouassi Kouassi
• Direction : Hicham Benhayoune, Valérie Mancier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des matériaux, Surfaces et Interfaces
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Numérique et de lu2019Ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Nanopoudres

Oxydes de cuivre

Antimicrobiens

Photocatalyse

Films minces

Copper oxides

Nanopowder

Antimicrobials

Photocatalysis

Thin films

Résumé

Description de la problématique de recherche : Plusieurs millions d'euros sont investis chaque année dans la lutte contre les maladies nosocomiales qui tuent chaque année en France 3500 personnes. En parallèle, le contexte environnemental (dégradation du climat et de la qualité de l'air et des eaux) pousse à promouvoir et diversifier les sources d'énergies décarbonées (tel que le vecteur hydrogène, largement promu actuellement par le gouvernement avec le plan Hydrogène) et à dégrader par des moyens eux-mêmes peu polluants les molécules indésirables (colorants organiques, pesticides, médicaments...) qui contaminent les eaux usées. La réactivité des matériaux (i.e. la sensibilité implicite au sein du futur dispositif) est essentielle pour les remédiations dans ces deux domaines. D'autant plus réactifs que leur forte division augmente leur surface de contact avec le milieu réactionnel, les nanomatériaux s'avèrent dans ce cas d'un emploi pertinent. Largement utilisés du fait de leurs propriétés polyvalentes, les oxydes métalliques font l'objet de nombreux travaux de recherches et parmi eux, les oxydes de cuivre (I) (cuprite Cu2O) et (II) (ténorite CuO) sont particulièrement intéressants. De faible coût, stables d'un point de vue structural et de toxicité très faibles, ils sont largement étudiés en tant qu'antimicrobiens et en tant que semi-conducteurs pour de nombreux capteurs. Sous forme nanométrique, ils sont donc parfaitement adaptés pour apporter des solutions aux problématiques précédemment citées. Ce projet doctoral vise ainsi l'élaboration d'oxydes de cuivre CuO et Cu2O à l'échelle nanométrique pour des applications multifonctionnelles. En effet, ces matériaux peuvent apporter une plus-value à la fois dans le domaine sanitaire et environnemental par leurs propriétés antimicrobiennes et photocatalytiques. Il s'agit précisément de relier les spécificités du nanomatériau en lien avec son procédé de synthèse et son application. Les processus d'élaboration qui ont été retenus respectent les principes fondateurs de la 'chimie verte'. Ainsi la sono-électrochimie pulsée déphasée et la méthode sol-gel pour la synthèse des nanopoudres et les dépôts électrophorétiques de films minces à partir des nanopoudres correspondantes sont écoresponsables car faiblement polluants (ils utilisent en majorité des solvants aqueux) et peu coûteux (ils opèrent à pression atmosphérique dans des conditions douces de température). Ils sont également expérimentalement accessibles et flexibles. Insérées dans des textiles, les nanopoudres d'oxydes de cuivre peuvent les rendre antimicrobiens. Sous forme de dépôts, elles devraient posséder des propriétés photocatalytiques et bactéricides ce qui permettrait de les utiliser à la fois comme capteurs (pour la détection des pollutions ou photocathodes (pour la génération d'énergie décarbonée) et comme matériaux biocides (pour limiter la diffusion des maladies nosocomiales via les poignées de portes par exemple). Comme leurs propriétés ne seront pas forcément optimales dans ces deux applications, l'optimisation de la synthèse la plus appropriée en fonction de l'application envisagée (i.e. trouver le bon compromis composition/structure qui offrirait aux films des caractéristiques spécifiques) sera un des défis de ce projet. Pour mener à bien ce travail, le doctorant utilisera différents matériels d'élaboration et aura accès localement ou via des collaborations nationales et internationales à des instruments de caractérisation structurale et physico-chimique tels qu'un spectrophotomètre UV-visible, différents types de microscope (à force atomique, électronique à balayage et à transmission), un diffractomètre de rayons X, un analyseur à plasma à couplage inductif, un granulomètre... Il étudiera les propriétés antimicrobiennes face à des bactéries (staphylocoque doré résistant à la méthicilline, Escherichia coli) et/ou des champignons modèles (Candida albicans) sur le campus Santé de Reims.

Description of the research problem: Several million euros are invested each year in the fight against nosocomial diseases which still represent a major public health problem today since they kill 3,500 people each year in France. At the same time, the environmental context (deterioration of the climate and of the quality of air and water) requires to promote and diversify carbon-free energy sources (such as the hydrogen vector, currently widely promoted by the government with the Hydrogen plan) and to degrade, by means that are themselves low-polluting, the undesirable molecules (organic dyes, pesticides, medicines, etc.) which contaminate wastewater. The reactivity of materials (i.e. the implicit sensitivity within the future device) is essential for remediation in these two fields. More reactive as their strong division increases their contact surface with the reaction medium, nanomaterials are relevant in this case. Widely used because of their versatile properties, metal oxides are the subject of numerous research works and among them, copper oxides (I) (cuprite Cu2O) and (II) (tenorite CuO) are particularly interesting. Low cost, structurally stable and having a very low toxicity, they are widely studied as antimicrobials and as well semiconductors in many sensors (gaseous and photovoltaic). In nanometric form, they are therefore perfectly suited to provide solutions to the problems mentioned above and will therefore be the subject of research in this doctoral project. Therefore, it aims to develop copper oxides CuO and Cu2O at the nanometric scale for multifunctional applications. Indeed, these materials can provide added value in both the health and environmental fields through their antimicrobial and photocatalytic properties. Precisely, the works target to link the specificities of the nanomaterial in connection with its synthesis process and its application. The development processes that were selected respect the founding principles of “green chemistry”. Thus out of phase pulsed sono-electrochemistry and the sol-gel method for the synthesis of nanopowders and the electrophoretic deposition of thin films from the corresponding nanopowders are eco-responsible processes because they are low in pollutants (they mainly use non-toxic solvents, most of them being aqueous) and inexpensive (they operate at atmospheric pressure in mild temperature conditions). They are also experimentally accessible and flexible. Inserted into textiles, copper oxide nanopowders can make them antimicrobial. In the form of deposits on indium tin oxide substrate, they should have photocatalytic and bactericidal properties which would allow them to be used both as sensors (for the detection of pollution or photocathodes (for the generation of carbon-free energy) and as biocidal materials (to limit the spread of nosocomial diseases via door handles for example). As their properties will not necessarily be optimal in these two applications, the optimization of the most appropriate synthesis depending on the intended application (i.e. finding the good composition/structure compromise which would offer the films specific characteristics) will be one of the challenges of this project. To carry out this work, the Ph-D student will use different apparatus to elaborate the materials and will access to many materials via different collaborations to undergo structural and physico-chemical analysis such as an UV-visible spectrophotometer, an atomic force microscope, a X-ray diffractometer, a scanning electron microscope associated with X-ray microanalysis, a transmission electron microscope, an inductively coupled plasma analyser and a particle size analyser. The student will study the antimicrobial properties against bacteria (methicillin-resistant Staphylococcus aureus, Escherichia coli) and/or model fungi (Candida albicans) in campus Santé of Reims.