Élaboration et fonctionnalisation des nanoferrites

Abstract

Cette thèse représente une contribution scientifique à la compréhension des propriétés avancées et des applications des nanoferrites spinelles, à travers la synthèse et la fonctionnalisation de quatre systèmes nanométriques principaux : Mg1-xCoxFe2O4, Ni1-xCoxFe2O4, Zn1-xCoxFe2O4, et Mg1-xZnxFe2O4 (x variant de 0 à 1). Elle explore leur performance dans les domaines de l'environnement, de l'énergie et de la biomédecine. Une série de techniques d'analyse physico-chimiques (DRX, MEB-EDS, VSM, IRTF, Raman, TPR, TPD, TPO) a été adoptée pour comprendre la relation entre la structure et les propriétés fonctionnelles. Les résultats cristallins montrent que toutes les compositions préparées cristallisent dans une structure spinelle pure sans phases secondaires, avec des tailles cristallines variant entre 25 et 67 nm. Les analyses magnétiques ont révélé un comportement ferrimagnétique variable en fonction des ratios de Co2+ et Mg2+, tandis que la bande interdite (Eg) a diminué progressivement de 2,38 à 1,85 eV, améliorant ainsi l'absorption de la lumière visible. Dans le domaine énergétique, les matériaux préparés ont été testés comme catalyseurs pour la dégradation du borohydrure de sodium dans un milieu méthanolique. Le Mg0,25Co0,75Fe2O4 a montré la meilleure performance avec un taux de génération d'hydrogène de (56695,2 mL/min.gcat) et une faible énergie d'activation (13,67 kJ/mol), tout en maintenant une efficacité supérieure à 90 % après plusieurs cycles. De plus, les matériaux Ni0,75Co0,25Fe2O4, Zn0,25Co0,75Fe2O4, et Mg0,375Zn0,625Fe2O4 ont montré des taux de production respectifs de (31699,9 ; 30091,2 et 29661,6 mL/min.gcat), avec des énergies d'activation allant de 14,48 à 19,13 kJ/mol. En ce qui concerne les applications environnementales, l'efficacité de deux systèmes avancés pour le traitement du colorant Acide vert 25 (AG25), en tant que modèle de composés organiques résistants, a été évaluée en utilisant des catalyseurs de type Mg1-xCoxFe2O4. Le système PAW seul a atteint une élimination de 56,62 % après 6 heures (TPDR), tandis que le système PAW/UV a amélioré l'efficacité à 79,13 % en 6 h. L'incorporation du catalyseur, PAW/Mg0,25Co0,75Fe2O4, a conduit à une élimination complète (100%) en 6 h, tandis que le système hybride PAW Mg0,25Co0,75Fe2O4/UV a considérablement accéléré la dégradation, atteignant une élimination de 100% en seulement 3 h. Le deuxième système a activé le peroxydipersulfate (S2O82-) par rayonnement UV. Dans ces conditions, le processus PS/UV a montré une efficacité limitée de 30,51 % après 1 heure, qui a légèrement augmenté à 47,52 % à pH = 2. Cependant, lorsqu'il est combiné avec le catalyseur, le système PS/Mg0,75Co0,25Fe2O4/UV a montré des performances exceptionnelles, atteignant une

élimination complète (100%) en seulement 20 minutes avec seulement 0,2 g/L de catalyseur et 0,5 g/L de PS. Ces résultats mettent en évidence l'efficacité supérieure des systèmes hybrides qui combinent PAW, irradiation UV et catalyse hétérogène, non seulement en réduisant le temps de traitement, mais aussi en optimisant la dégradation de l'AG25 grâce aux interactions synergiques des espèces réactives telles que SO4•⁻, •HO et h⁺, prouvant l'efficacité des modifications structurelles pour accélérer la dégradation et améliorer l'efficacité. . Dans le domaine biologique, l'activité antimicrobienne de la série Mg1-xCoxFe2O4 a été évaluée par la méthode de diffusion sur gélose. MgFe2O4 (x = 0) a montré une forte efficacité contre les bactéries Gram-positives (Staphylococcus aureus et Bacillus subtilis) avec des zones d'inhibition supérieures à 20 mm et des valeurs de MIC allant de 6,25 à 12,5 mg/mL, avec un effet bactéricide complet (MBC ≈ MIC), tandis que les souches Gram-négatives étaient moins sensibles. Le témoin négatif (DMSO) n'a montré aucune activité, ce qui confirme que l'efficacité provient des nanomatériaux. Les propriétés antioxydantes ont été testées par la méthode FRAP, où Mg0,25Co0,75Fe2O4 a montré la meilleure performance avec une valeur EC50 de (84,5 μg/mL), surpassant CoFe2O4 (109,3 μg/mL) et MgFe2O4 (631,6 μg/mL). Dans l'évaluation de l'activité anti-inflammatoire par le modèle d'oedème de la patte induit par la carraghénane chez les rats, Mg0,25Co0,75Fe2O4 a réduit l'épaisseur du gonflement de 1,523 mm à 0,400 mm en 4 heures, tandis que le traitement de référence (diclofénac) a montré une inhibition presque totale (0,006 mm), confirmant l'efficacité du composé dans les stades précoces. Ces résultats soulignent le potentiel considérable des ferrites spinelles dopées en tant que catalyseurs nanométriques multifonctionnels alliant performance énergétique, environnementale et biologique, et ouvrent des perspectives prometteuses pour le développement de matériaux nanométriques intelligents et efficaces, intégrables dans des solutions avancées et durables dans les domaines de l'énergie verte, du traitement environnemental et de la médecine nano-biologique.