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Accueil Nouvel Ordre Mondial Ses Projets Agenda 2030 Progrès récents dans les bio-nanocomposites à base de chitine et de chitosane / graphène pour les applications énergétiques

JoBo EVD
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Résumé

Dans ce document, nous rapportons les développements récents afin d’explorer la chitine et les dérivés du chitosane pour les applications liées à l’énergie. Cette revue résume une introduction aux polysaccharides communs tels que la cellulose, la chitine ou le chitosane, et leur connexion avec les nanomatériaux carbone ( CNM ), tels que les bio-nanocomposites. De plus, nous présentons leur analyse structurale suivie de la fabrication de nanocomposites à base de graphène. De plus, nous démontrons le rôle de ces nanocomposites dérivés de la chitine et du chitosane pour les applications énergétiques, y compris les biocapteurs, les batteries, les piles à combustible, les supercondensateurs et les systèmes de cellules solaires. Enfin, les limitations actuelles et les perspectives d’application futures sont également impliquées. Cette étude établit l’impact des nanomatériaux générés par la chitine et le chitosane pour des applications industrielles potentielles inexplorées.

 

Résumé graphique

1. Introduction

Au cours des dernières décennies, les progrès de la nanotechnologie ont conduit au recyclage progressif des polymères naturels en une variété de nanomatériaux structurellement améliorés [1,2]. Cela a été prouvé par la synthèse de nanomatériaux de carbone à base de polymère ( MNC ) [3]. L’implication des CNM a été établie dans divers domaines, tels que les activités biologiques [4], livraison de médicaments [5], génie tissulaire [6], environnemental [7] ou applications énergétiques [8]. Leurs propriétés uniques leur ont permis d’être utilisés dans plusieurs appareils électroniques [9]. Il a été observé que les interactions dipôle – dipôle entre les molécules et les puissantes forces de van der Waals ont produit une agrégation entre les CNM [dix]. Heureusement, les conséquences de cette limitation, telles que la modification des propriétés électriques, chimiques et mécaniques, ont été modifiées par la fonctionnalisation [11]. Le graphène est un excellent exemple de CNM en raison de ses attributs remarquables, y compris une grande surface, un faible poids et d’excellentes propriétés thermiques ainsi que mécaniques [12,13].
Les polysaccharides sont des biomatériaux polymériques naturels qui ont été largement utilisés dans les domaines biotechnologiques en raison de leur disponibilité, de leur biocompatibilité et de leur biodégradabilité [14,15]. Les exemples courants de polysaccharides sont l’amidon, la cellulose, la chitine et le chitosane [16]. Ils peuvent également être modifiés chimiquement ou enzymatiquement pour toute utilisation finale spécifique. Récemment, la chitine et le chitosane ont été utilisés dans diverses applications, notamment l’alimentation et la nutrition, les produits pharmaceutiques et la biotechnologie [17,18]. En raison de sa biocompatibilité, le chitosane a également été considéré comme un matériau approprié pour le traitement des eaux usées, ainsi que pour les applications médicinales et électrochimiques [19,20]. À mesure que la nanotechnologie progresse, la fabrication de nanocomposites de chitosane avec des nanofillers organiques et inorganiques a considérablement amélioré les propriétés mécaniques, chimiques et de barrière du matériau [21]. Ces résultats remarquables sont gaspillés car il n’y a aucun ouvrage dans la littérature qui étudie les nanostructures systématiques, les nouvelles possibilités de bio-nanocomposite et leurs processus de fabrication associés, qui sont nécessaires. En conséquence, cette étude vise à combler cette lacune en présentant les tendances futures ainsi que les défis associés à la chitine et au chitosane comme matrice pour les bio-nanocomposites.
Au cours des dernières années, les nanocomposites dérivés de la chitine et du chitosane ont montré une tendance vers un large éventail d’applications. Récemment, les nanomatériaux à base de chitine et de chitosane et leur rôle remarquable en tant qu’adsorbants de colorant [22], véhicules de livraison de médicaments pour lutter contre le COVID-19 [23], emballage alimentaire [24], membranes [25], pansements [26] et pour les applications biomédicales et environnementales [27,28] ont été présentés.
À notre connaissance, des études très limitées ont résumé, en particulier, les nanocomposites à base de chitine et de chitosane pour des applications liées à l’énergie. Ce travail est brièvement organisé en arrière-plan des propriétés du graphène et de l’oxyde de graphène ( GO ) ainsi que des propriétés structurelles de la chitine / chitosane. De plus, des méthodes courantes de fabrication de bio-nanocomposites de graphène dérivés de la chitine et du chitosane ont été discutées. Enfin, il révèle des informations vitales sur les bio-nanocomposites chitine / chitosane pour les applications dans les appareils électroniques et les systèmes énergétiques. Pour le rendre plus instructif, cette étude présente également les futures recommandations et défis de l’heure actuelle.

2. Oxyde de graphène et de graphène

La recherche liée aux CNM bidimensionnels compatibles ( 2D ), tels que le graphite et les diamants, a augmenté [29]. Le graphène, dérivé du graphite, a été utilisé dans diverses applications. Le graphène monocouche a été exploré théoriquement par P. R. Wallace en 1947. Il a été produit et identifié sans ambiguïté pour la première fois en 2004 [30,31]. De nombreux efforts ont été faits pour produire en masse du graphène dans certaines industries, en particulier la science des matériaux et la chimie [32]. Selon des contrôles de prix récents, les budgets alloués à la fabrication du graphène et à la production de ses dérivés ont atteint $67 millions en 2015, et devraient augmenter pour $680 millions d’ici 2020 [33]. Le graphène est composé d’une seule couche de graphite hexagonal avec sp2-carbones hybrides et connexions sigma [34]. De plus, les liaisons délocalisées de type π sont formées des orbitales p ou σ restantes. Il a une structure bidimensionnelle composée d’une couche d’atomes de carbone qui sont connectés de manière covalente sous forme de réseaux hexagonaux [35]. Il s’agit de la structure fondamentale de nombreuses allotropes de carbone [36].
Le graphène possède des propriétés uniques, telles qu’un intervalle de connexion carbone 1,42 Å carbone –, une épaisseur de 3,3 Å, une grande surface, une capacité de mouvement élevée et une optique, mécanique importante, propriétés électriques et thermiques [37,38]. Pendant ce temps, GO a été produit par oxydation du graphite, qui est composé de graphène et d’autres groupes fonctionnels, tels que – C = O, – OH, – COOH et – COC – [39]. L’existence de groupes fonctionnels oxygénés à la surface de GO lui a fait avoir une capacité plus élevée que le graphène malgré une surface plus petite [40]. GO et oxyde de graphène réduit ( rGO ) ont un grand potentiel à utiliser dans des applications liées à l’énergie en raison de leur capacité élevée, de leur efficacité impressionnante et de leurs propriétés améliorées par rapport au graphène [41,42]. Un large éventail de méthodes synthétiques ont été utilisées pour convertir le graphène des déchets, qui sont présentés dans Figure 1.
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Figure 1. Illustration schématique des voies synthétiques du graphène provenant de sources de déchets.

Chitine et Chitosan; Analyse structurale

Chitosan, le deuxième biopolymère le plus abondant au monde [43], est composé de résidus de N-acétyl glucosamine et de glucosamine [44]. C’est un polymère précieux car il peut être facilement obtenu à partir de déchets marins, y compris des crustacés et des micro-organismes tels que des champignons [45]. Le chitosane peut être produit dans une variété de poids moléculaires ( MW ) et de degrés de désacétylation ( DA ). Après le processus DA, le chitosane a été extrait de la solution sous forme de poudre, de fibres et d’éponges [46]. La solubilité du chitosane a une grande influence sur la concentration ionique, MW, pH, nature acide, DA et distribution des groupes acétyle, ainsi que sur la chaîne principale. Le chitosane est généralement dissous dans des acides faibles, notamment 1% d’acide acétique 0,1 M [47]. De plus, le chitosane peut être dissous dans l’eau en présence de glycérol 2-phosphate à un pH neutre [48]. Ce type de chitosane convient aux applications à base d’usine [49]. Une solution stable peut être obtenue à température ambiante. En revanche, il approuve la formation réversible de gel supérieure à 40 ° C. Par rapport à la chitine, le chitosane possède une meilleure capacité de formation complexe, qui a été attribuée principalement à l’existant libre – NH2 groupes répartis le long de sa chaîne principale (Figure 2) [50]. Le chitosane, un produit de la chitine partiellement désacétylé, est un copolymère composé de β- ( 1 → 4 ) -2-acétamido-D-glucose et β- ( 1 → 4 ) -2- unités amino-D-glucose [51]. Dans la structure du chitosane, les radicaux R1, R2 et R3 correspondent à l’hydrogène disponible en molécules de chitine et de chitosane nature. Ces groupes de surface entraînent la formation d’hydroxyle ( OH ) et d’amino ( NH2) groupes. Ils sont responsables des modifications organiques du chitosane, qui ont le potentiel de produire des dérivés polymériques de ces composés [52].
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Figure 2. Analyse structurale de la chitine et du chitosane. Reproduit avec la permission de [53].
Les déchets de coquilles de crustacés sont une source de matière première de biomasse pour la production de chitine et de chitosane. Ils contiennent de la chitine, des lipides, des sels inorganiques et des protéines, comme indiqué dans Figure 3 [54]. De nombreuses techniques de caractérisation, telles que SEM, FTIR, DSC, TGA, 1H NMR à l’état liquide, XRD et analyse élémentaire ont été utilisées pour étudier le degré morphologique, structurel, de DA, cristallinité et autres propriétés physicochimiques ou thermiques [50,55].
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Figure 3. Mécanisme de conversion des déchets de coquilles de crustacés en chitine et chitosane [53].

3. Fabrication de nanocomposites graphène

La distribution des matériaux dans les matrices polymériques a une influence significative sur les propriétés mécaniques, thermiques et électriques des nanocomposites, ainsi que sur leur perméabilité à la vapeur d’eau [56]. Une mauvaise distribution du biopolymère – graphène / GO produit des nanocomposites instables et met en péril leurs propriétés. L’agrégation des nanoparticules de graphène / GO et le reconditionnement en matériaux biopolymériques a été un problème préoccupant [57]. Par exemple, des polymères hydrosolubles tels que le poly ( alcool vinylique ) et le poly ( oxyde d’éthylène ) ont été utilisés dans la fabrication de nanocomposites GO [58]. Des études antérieures ont révélé que les charges de graphène / GO ont été incorporées dans des matrices de polymère par des méthodes courantes, telles que l’intercalation des solutions, l’électro-épinglage et la polymérisation intercalative in situ, comme indiqué dans Figure 4 [59,60].
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Figure 4. Fabrication d’un nanocomposite de graphène ( polyaniline ) à base de polymère [61].
La plupart des chercheurs ont utilisé une méthode d’intercalation de solution, dans laquelle la structure chimique d’une matrice polymère a changé à mesure que la quantité de graphène / GO augmentait [62]. Cela a été attribué à la survenue de réactions chimiques légères, principalement des interactions physiques entre les biopolymères et le graphène / GO [60]. De manière caractéristique, cette méthode implique le mélange de cisaillement de suspensions colloïdales graphène / GO avec des polymères, suivi de l’évaporation au solvant. En conséquence, le polymère adsorbé a été remonté, formant un sandwich entre le polymère et le graphène / GO [63]. De plus, des matrices de polymère – graphène / GO ont été utilisées dans des méthodes à base de solution avec des polymères non solubles dans l’eau via la modification chimique de GO [64]. Le poly ( méthacrylate de méthyle ) et les polyuréthanes sont deux exemples de polymères non solubles qui ont été utilisés dans cette méthode [65]. Une autre méthode intéressante de préparation des bio-nanocomposites graphène / GO est la polymérisation in situ, qui utilise des solvants pour abaisser les dispersions ’ viscosité [66]. Par exemple, GO a préparé des nanocomposites aux propriétés améliorées par polymérisation intercalative du poly ( méthacrylate de méthyle ) [67] et résines époxy [68]. De plus, le polyéthylène [69] et nanocomposites GO à matrice polypropylène [70] ont été préparés avec succès par polymérisation in situ.
Les chaînes en poly ( méthacrylate de méthyle ) ont été greffées sur GO pour rendre la charge compatible avec la matrice polymère [71]. La méthode de mélange à chaud a été utilisée pour disperser la GO thermiquement réduite en polymères ainsi que dans un polylactide renouvelable [72]. Des taux de distribution satisfaisants sont réalisables grâce à ce processus. Cependant, il augmente la viscosité de la fusion des polymères, ce qui complique le processus. La préparation de composites polymères, tels que le graphite, en polypropylène a été réalisée par dispersion de cisaillement à l’état solide à l’aide d’une extrudeuse à double vis modifiée [73]. Tableau 1 implique la synthèse de nanocomposites de graphène, comprenant des matrices polymériques et autres, pour un nombre énorme d’applications.
Tableau 1. Résumé des nanocomposites de graphène avec des matériaux inorganiques et polymériques.
Table

Bio-nanocomposites de chitine et de chitosane graphène

GO est une forme oxydée et hydrophile de graphène qui améliore considérablement les fonctionnalités des matrices polymériques [99]. Le graphène et les GO sont couramment utilisés comme nanofillers dans les nanocomposites polymériques. La modification chimique du graphène a entraîné des nanocomposites hautes performances aux caractéristiques enrichies [100]. Plusieurs techniques ont été utilisées pour diffuser uniformément le graphène ou GO dans les matrices de chitosane en développant des liens physiques / chimiques [101].
Le chitosane est un matériau vert, durable et peu coûteux. Les nanocomposites dérivés du chitosane ont captivé l’intérêt de nombreux chercheurs en raison de leurs propriétés chimiques et physiques exceptionnelles [102]. Les progrès de la nanotechnologie ont conduit au dépôt de nanoparticules à la surface du chitosane. En plus d’être utilisés comme biomatériau à matrice pure, d’autres nanoparticules ont été intégrées dans des matériaux en vrac. En raison de l’hydroxyle ( OH ) du chitosane et de l’amine ( NH2) groupes de surface, il encourage plusieurs formations de liaison à l’hydrogène inter et intramoléculaires [103]. Il permet l’utilisation de charges inorganiques et organiques, ce qui améliore la fonctionnalisation [104].
Certains chercheurs ont dopé des bio-nanocomposites graphène / GO avec de l’amidon, du chitosane, de la cellulose et du poly ( hydroxyalkanoates ) [105]. De nouvelles techniques, telles que la coalescence des gouttelettes d’émulsion, le tamisage et le séchage par pulvérisation ont été appliquées pour la fabrication de produits à base de chitosane, qui sont principalement utilisés dans des applications médicales et pharmaceutiques [106,107]. Le développement de nouveaux matériaux nanocomposites continue d’être entravé pour les applications agricoles; cependant, il est possible si le matériel source est également peu coûteux et compatible. Néanmoins, en raison des propriétés du chitosane, il a été utilisé dans la fabrication de nanocomposites appropriés [108].
La gélation ionique et le séchage par pulvérisation sont considérés comme les meilleurs protocoles de production de CNM à grande échelle [109]. La méthode de la gélation ionique implique l’interaction de groupes amino chitosane chargés positivement avec du tripolyphosphate chargé négativement ( TTP ). TTP est un réticulateur anionique qui forme des nanoparticules en interagissant avec les molécules de chitosane. Il est non toxique et dépourvu de toute activité biologique innée. En conséquence, il est largement utilisé dans la production de CNM [110]. Les nanocomposites résultants ont été utilisés pour des applications foliaires.
Selon une étude sur le nanocomposite chitosane – rGO, rGO a été incorporé au réseau cristallin chitosane pour améliorer les propriétés d’adsorption et d’attraction des colorants des nanocomposites fabriqués [111]. À 6% en poids de nanocomposite de rGO, la résistance à la traction, le module de Young, l’allongement à la rupture et les valeurs de conductivité ont été augmentés. Cependant, l’agrégation s’est produite à 7% en poids de rGO et la conductivité des films nanocomposites a diminué [112].
Une autre étude sur le nanocomposite chitosane-GO a rapporté l’existence d’une forte interaction entre GO et chitosane [113]. Une analyse FTIR a révélé deux pics, dont l’un était la étendue amine du chitosane, et l’autre appartenait au groupe OH de GO. Les nanocomposites fabriqués présentaient des propriétés identiques au chitosane et au GO. Les pics associés aux liaisons C = C des GO se sont déplacés vers des wavenumbers inférieurs. Il s’est produit en raison de la liaison à l’hydrogène entre GO et le réseau chitosane [114]. Dans l’étude XRD, GO était complètement exfolié lorsque les angles de diffraction du composite chitosan-GO étaient similaires à ceux du film chitosane. De plus, la présence de GO dans le composite a entraîné une cristallinité plus faible en raison d’une période de combinaison plus longue [115]. Figure 5 représente la fabrication du nanocomposite chitosane / GO par ultrasons pendant 30 et 120 min, suivie d’une analyse morphologique AFM. La réticulation entre le chitosane et GO a été évaluée avec leurs propriétés physiques [116].
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Figure 5. Fabrication de nanocomposite chitosane / GO par ultrasons qui contrôlaient la taille et l’épaisseur des nanosheets GO. Le film mince nanocomposite a montré un déclin remarquable de la transmittance UV, une température de 120 ° C et des propriétés hydrophiles compactées [116].
Cobos et al. films de nanocomposite de chitosane autonome – GO préparés [117]. Au cours du processus, GO a été dispersé de manière homogène dans le chitosane en raison de la formation de liaison à l’amide entre les groupes d’acide carboxylique de GO et les groupes d’amine de chitosane. Par rapport au chitosane pur, la température de transition vitreuse du nanocomposite de chitosane – graphène est passée de 118 ° C à 158 ° C [118]. De plus, la résistance à la traction et le module Young de nanocomposite synthétisé ont été augmentés de 2,5 et 4,6 fois, respectivement [119]. Dans une étude très récente, Zhang et al. ont synthétisé GO fonctionnalisé ( fGO ), en combinant le chitosane et le liquide ionique, pour une utilisation comme capteur électrochimique, qui est affiché dans Figure 6. Ce nouveau senor électrochimique a été utilisé avec succès pour la détection d’amarante dans les boissons commerciales, avec d’excellents résultats [120].
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Figure 6. Analyse schématique d’un nouveau capteur électrochimique préparé par fGO / chitosan / nanocomposite liquide ionique [120].

4. Applications énergétiques de la chitine et du chitosane

Les propriétés améliorées des matériaux polymères avec des nanoparticules d’oxyde métallique en électrodes composites ont été optimisées à travers les longues dorsales linéaires de la chitine et du chitosane pour les appareils électroniques [121]. Ce type de synthèse a été réalisé pour créer un assemblage hiérarchique qui relie les particules d’oxyde métallique nanoscopique à la structure macro-échelle du chitosane par dépôt électrochimique [122]. D’autres études sont axées sur le MW de chitine et de chitosane, qui a affecté le comportement capacitif et la stabilité cyclique sur les couches minces électrodéposées [19,123].
La chitine et le chitosane sont devenus des polymères importants pour la production de matériaux mous. Cela est dû à la combinaison des caractéristiques physicochimiques des biopolymères qui permet l’assemblage hiérarchique de composants de la taille nanométrique à différentes échelles de longueur [124]. Les caractéristiques de la chitine et du chitosane sont influencées par la quantité d’unités de répétition de glucosamine, la cristallinité et le degré de DA [125].

4.1. Dispositifs électriques

Le développement de matériaux composites hautes performances a été accéléré en incorporant des nano-fillers inorganiques “ ” dans des polymères. Conventionnellement, les utilisations des nanocomposites polymères – inorganiques comprennent des applications mécaniques, optiques, catalytiques, magnétiques, thermiques, électriques et électrochimiques [126,127]. Il est hautement souhaité d’obtenir des appareils électroniques fonctionnels rentables et de haute technologie à des fins commerciales. Par conséquent, les composites polymères remplis de métaux sont considérés comme une option viable pour répondre aux exigences des futures technologies diélectriques [128].
Les nanoparticules sont conçues pour maintenir une mobilité électronique élevée afin d’obtenir des réponses sur le terrain rapides avec des constantes diélectriques extraordinaires et des pertes minimales dans les applications à haute fréquence [129]. Les diélectriques bio-nanocomposites techniques ont des constantes diélectriques plus élevées à des fréquences élevées et peuvent traiter des polymères à basse température par rapport à d’autres matériaux conventionnels (Figure 7) [130]. Le chitosane est préféré dans les perspectives de recherche actuelles en raison de sa facilité d’accessibilité, de son faible coût, de son respect de l’environnement et de ses caractéristiques mécaniques exceptionnelles [131].
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Figure 7. Modification du nanocomposite de graphène / chitosane / alcool polyvinylique réduit thermiquement en tant qu’électrode pour la détection de Pb ( II ) dans les eaux usées [132].
Ces dernières années, des CNM tels que des nanotubes de carbone ( CNT ) et du graphite ont été extrêmement utilisés parmi plusieurs appareils électroniques [133]. Oxydes métalliques, tels que ZnO, SiO, NiO et TiO2, sont généralement dopés comme nano-remplisseurs inorganiques à des fins électriques et électrochimiques [134]. Les caractéristiques diélectriques du NiO ont été utilisées sous forme de nano-remplisseurs pour une poignée d’études. NiO est un isolant Mott-Hubbard avec une conductivité extrêmement faible aux températures ambiantes et un paramètre de réseau cubique de 0,4177 nm [135]. Cependant, lorsque la taille est abaissée à l’échelle nanométrique, la conductivité du NiO augmente considérablement en raison du saut de trou associé au Ni2 + postes vacants. En incorporant ces charges dans des polymères non conducteurs, elles se sont transformées en polymères conducteurs tout en préservant leurs propriétés polymères [136].
Nasrollahzadeh et al. étudié en profondeur les possibilités de la chitine et du chitosane comme interconnexions à grande échelle. Parmi l’épine dorsale de carbone linéaire des biopolymères, le chitosane a fourni un emplacement pour la liaison nanocomposants / charges dans la plage de 100 – 101 nm [137]. Le biopolymère présente des propriétés d’auto-organisation provenant des caractéristiques du film sensible aux stimuli et de la formation de gel du chitosane aux niveaux microscale. Par conséquent, l’assemblage à des échelles de longueur plus élevées, c’est-à-dire 103 nm, est activé [138]. De plus, la stimulation électrique localisée favorise la formation de films et de gels à base de chitine et de chitosane. En conséquence, l’échelle de longueur et les composants à l’échelle nanométrique du chitosane étaient liés à des équipements électriques. Enfin, les capacités de liaison des métaux des liaisons activées par le chitosane grâce aux processus de chélation [139]. Kamran et al. ont découvert des CNM poreux à base de chitosane à médiation acétique, ce qui a entraîné la capture de CO2. Ils ont également démontré une surface améliorée ( 4168 m2 g− 1) et CO très efficace2 performances d’adsorption des nanomatériaux fabriqués [140]. Actuellement, il existe des études minimales dans la littérature sur le comportement électrochimique et la production d’énergie de ces nouveaux bio-nanocomposites.

4.2. Biocapteurs

Récemment, il y a eu une utilisation remarquable de biocapteurs économiques et rentables dans des applications liées à l’énergie [141]. Une immobilisation de haute qualité des composants de reconnaissance biologique est nécessaire pour générer des biocapteurs fiables. Le chitosane et ses bio-nanocomposites ont été introduits en tant que matériaux matriciels d’immobilisation efficaces. Ainsi, le développement de nouveaux dispositifs de diagnostic de maladie à un stade précoce et de détection de biomarqueurs était possible grâce à ces biocapteurs à base de chitosane-bio-nanocomposites (Figure 8) [142].
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Figure 8. (A) Sélectivité, (B) répétabilité et (C) reproductibilité du polymère d’impression chitosane / GO / ion ( CS / GO / IIP ) en tant que capteur électrochimique pour Cu ( ( II ) détection ( 50 μmol / L )143].
Fartas et al. ont utilisé des films de nanopharticulation / chitosane ( GauCS ) nanocomposite pour la biosensation du glucose. Le capteur a été conçu pour immobiliser la glucose oxydase dans des films minces de nanocomposites GAuCS à des électrodes en or [144]. De même, Casteleijn et al. utilisé une méthode de revêtement de spin simple pour modifier les biocapteurs à base de chitine sur les nanoparticules Au et le polystyrène ( PS ). En raison de la solubilité de la chitine, cette méthode a ouvert un nouveau domaine de possibilités futures [145]. La liaison substantielle de la chitine a encouragé une forte fonctionnalisation pour la fabrication de biocapteurs. Par conséquent, les scientifiques ont développé un roman Co2 +capteur de surface de résonance plasmon à base d’ions métalliques à travers des composites de chitine pour une détection de sensibilité améliorée [146].
En outre, Ali et al. créé un H à basse température2Capteur de gaz S utilisant un chitosane conducteur – Nanocomposite hybride CuO à différentes concentrations allant de 1 – 9% volume / volume (v/v). Le bio-nanocomposite de chitosane a abouti à un semi-conducteur suffisamment flexible et transparent. Le mécanisme de détection du capteur se produit par transfert de protons entre les molécules de gaz et les groupes amino dans la molécule de chitosane. La présence de glycérol, c’est-à-dire les groupes OH, a amélioré la formation de liaison H [147].
Borgohain et al. ont créé un capteur de pollution qui a aidé à détecter Zn2 + et Cu2 + ions à différentes concentrations dans l’eau. La méthode de co-précipitation a été utilisée pour fabriquer des capteurs à points quantiques chitosan-ZnS ( QD ). La formation de minuscules grappes chitosan-ZnS QD dépendait de la concentration d’ions métalliques dans l’eau, avec une relation directement proportionnelle. En raison des grappes agrégées, les maxima d’absorption se sont produits à des longueurs d’onde plus longues et ont entraîné une réduction de l’énergie [148].

4.3. Batteries et électrochimie

Les LIB sont devenus d’importants systèmes de stockage d’énergie, en particulier dans l’utilisation des appareils électroniques portables. Leurs excellentes propriétés, telles que la forte densité d’énergie et les faibles taux d’auto-décharge, sont remarquées à plusieurs reprises [149]. En conséquence, des études approfondies sur de nouveaux matériaux d’électrodes compatibles avec les électrolytes LIB sont très cruciales pour l’avancement des technologies [150].
En utilisant une méthode hydrothermale à assistance au chitosane simple et des méthodes de calcination ultérieures, Ma et al. ont développé l’ultrathine MoS2/hétérostructures en graphène avec des surfaces spécifiques élevées et des caractéristiques électrochimiques efficaces [151]. De même, Chen et al. ont introduit un composite de carbone dopé N comme matériau cathodique et du CNT / chitosan comme séparateur amplifié pour les batteries au lithium – sulfur ( LS ). Cette méthode simple et efficace devrait représenter un tournant décisif pour la fabrication à grande échelle d’hétérostructures avec une large gamme d’applications dans les batteries [152]. De plus, Kim et al. ont utilisé un liant à base de rGO / chitosane qui a permis une amélioration significative de la stabilité du cycle et de la capacité des LSB [153].
D’autres matériaux fabriqués à noter et nouveaux avec des propriétés électrochimiques élevées parmi des œuvres très récentes incluent une solution de chitosane Si @ SiO2@N-Carbon anode pour les LIB [154], membranes de carbone flexibles à base de chitosane comme anodes pour les piles au potassium et au sodium-ion ( KIB / SIB ) [155], un carbone / li dopé à base de chitosane2ZnTi3O8/TiO2 composite comme anode pour les LIB [156], à base de chitosane C @ V2O5 cathode pour batteries Zn-ion ( ZIBs ) [157], un rGO / dopé à base de chitosane/C @ Si composite pour les LIB comme indiqué dans Figure 9 [158] et le nouveau S / Se / C pris en charge par une interconnexion à base de chitosane avec les CNT pour les nouvelles batteries lithium-chalcogénure ( NCB ) [159].
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Figure 9. Évaluations électrochimiques des anodes fabriquées. (un) Charge / décharge initiale de nano-Si, C @ Si, rGO / Si et rGO/C @ Si nanocomposites à une densité de courant de 100 mA g− 1, (b) charge / décharge actuelle constante des nanocomposites et (c,d) performances de taux et profil courant / tension de GO/C@Anode Si [158].

4.4. Cellules à combustible

Les piles à combustible modifiées avec des membranes via l’échange de protons ont été présentées comme une alternative prometteuse dans les domaines éco-responsables liés à l’énergie. Le développement d’une membrane proton hautement conductrice est l’aspect le plus important qui détermine les performances et l’efficacité des piles à combustible [160]. Pour dégrader la chitine de manière anaérobie, Li et al. créé une pile à combustible microbienne à l’aide Aeromonas hydrophila. Il a été observé que la pile à combustible construite a entraîné un taux de dégradation de la chitine sept fois plus rapide que celui d’un système de fermentation conventionnel [161]. Yang et al. a introduit un catalyseur Fe – N – C à faible coût, résultant d’un Fe ( III ) -chitosane, pour améliorer la production d’énergie dans les piles à combustible microbiennes [162]. Ainsi, une production d’électricité accrue a été assurée. Cette approche a permis la dégradation efficace de la biomasse résistante afin de récupérer l’énergie [163]. Les chercheurs ont signalé qu’un bio-nanocomposite chitosane / rGO / polyaniline était une bio-anode paradigme pour les piles à combustible dérivées du glucose. Il présentait d’excellentes propriétés électrochimiques avec une stabilité considérable [164]. Gorgieva et al. a examiné une membrane composite efficace à base de chitosane N-dopé pour les piles à combustible alcalines. Dans ce travail, des matériaux homogènes à base de chitosane et de graphène ont été conçus en utilisant une variété de méthodes auto-induites [165].
De plus, une méthode rentable a été appliquée pour assembler le nanocomposite de chitosane / montmorillonite en utilisant un support en céramique comme membrane efficace pour les piles à combustible microbiennes [166]. Dans une autre étude, le chitosane était réticulé à la nanocomposite de poly ( aminoanthraquinone ) qui était un catalyseur de réduction d’oxygène Fe-N-C à base de précurseur d’azote pour les piles à combustible microbiennes. La bio-anode haute performance dans la pile à combustible présentait une forme et des caractéristiques de rétention exceptionnelles en raison de ses effets synergiques entre les structures poreuses [167]. Cette conception hautement poreuse ainsi que les matériaux anodiques ont entraîné une augmentation de 78 fois de la densité de puissance maximale.
Vijayalekshmi et al. a créé un électrolyte vert à base de chitosane réticulé, flexible, oxydant et thermiquement stable utilisant du méthane, de l’acide sulfonique et du chitosane à dopage sulfonique-sulfonique-sodium. À 100 ° C, l’électrolyte polymère avait une conductivité de 4,67 × 10− 4 S / cm et stabilité thermique à une valeur maximale de 260 ° C [167]. En bref, cette technique peu coûteuse et respectueuse de l’environnement garantit des performances de barrière au méthanol supérieures en réduisant l’absorption du méthanol à des concentrations de méthanol plus élevées pour les piles à combustible, comme indiqué dans Figure 10 [168].
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Figure 10. Nanocomposite polymère nouveau pour piles à combustible alcalines. Le nanocomposite a été fabriqué à l’aide d’une méthode de moulage au solvant dans laquelle le chitosane, GO, Mg ( OH )2 et du chlorure de benzyltriméthylammonium ont été utilisés [169].
Tohidian et al. appliqué une technique simple sol – gel pour préparer des bio-nanocomposites CNT modifiés par la surface du chitosane. Les avantages supplémentaires des CNT revêtus de chitosane comprennent un danger réduit de court-circuit électronique et une meilleure interaction entre les CNT et le chitosane, entraînant une dispersion uniforme [170]. Par rapport aux membranes de chitosane pur, les bio-nanocomposites ont montré une meilleure stabilité thermique, une conductivité en protons et des caractéristiques mécaniques. Grâce à la liaison électrostatique et hydrogène entre les molécules, les bio-nanocomposites ont atteint une densité de puissance de 98,5 mW cm− 2 à 70 ° C [171]. À l’inverse, la conductivité réduite des protons a été causée par le groupe fonctionnel amino, ce qui a entraîné une absorption moindre d’eau.

4.5. Supercondensateurs

Les supercondensateurs sont un type supérieur de dispositif de stockage d’énergie. Ils dégagent une capacité, une densité de puissance, un cycle de durabilité et une stabilité plus élevés. De nombreuses études ont été consacrées à la présentation de nouveaux nanomatériaux comme matériaux d’électrode à partir de ressources durables, en raison de leurs performances électrochimiques impressionnantes [122,172]. Des recherches récentes ont été consacrées à la production de bio-nanocomposites à base de chitosane aux propriétés remarquables, telles que la haute puissance, un cycle de vie exceptionnel et une nature respectueuse de l’environnement par rapport aux nanoparticules coûteuses [173,174].
Une technique en trois étapes qui comprenait la synthèse des aérogels, la carbonisation des aérogels et les processus d’autodopage de l’azote a été utilisée pour créer des supercondensateurs à base de chitosane pour une mise en œuvre élevée. Ce bio-nanocomposite a montré une capacité spécifique de 331 F g− 1 en 6 mol L− 1 utilisant un électrolyte KOH à 1 A g− 1, avec une excellente stabilité de 90% après 10 000 cycles [175]. Des valeurs de performance importantes et remarquables ont été atteintes en préparant des supercondensateurs à base de chitosane, qui ont montré une densité d’énergie et de puissance spécifique à des valeurs maximales enregistrées de 10,46 Wh kg− 1 et 500,08 W kg− 1, respectivement [176]. De même, Lin et al. ont créé un hydrogel à base de chitosane en utilisant une technique d’hydrogellation ultra-rapide dans laquelle la carboxylation du chitosane a été effectuée à 6, 8 et 10 valeurs, produisant ainsi un hydrogel électrolytique supramoléculaire avec une excellente capacité spécifique de chitosane, chitosane-6, chitosane-8 et chitosan-10 sur 35 F ∙ g− 1, 72,5 F ∙ g− 1, 49,2 F ∙ g− 1 et 40,5 F ∙ g− 1, respectivement [177]. C’était une technologie facile et simple qui a montré un grand potentiel pour développer de futurs supercondensateurs biosourcés.

4.6. Cellules solaires

Après la cellulose, le chitosane est le polysaccharide aminé contenant de la biomasse le plus abondant sur terre. La capacité du chitosane à produire un film transparent tout en conservant ses propriétés a influencé l’intérêt des scientifiques ’ à concevoir des cellules solaires [178]. Les groupes d’amine sur la chaîne principale du chitosane en font une option viable pour les couches intermédiaires cathodiques, tandis qu’une fonctionnalisation supplémentaire est ajoutée en raison des groupes hydroxyle et amino dans toute la chaîne principale [179].
Praveen et al. produit des cellules solaires organiques avec une efficacité de conversion de puissance de 5,83% en utilisant du chitosane couche par couche et auto-assemblé avec une épaisseur de nanométrie uniforme et contrôlable [180]. Les cellules solaires conçues présentaient une efficacité plus élevée en raison de leur forme structurelle organisée, qui produisait des dipôles interfaciaux et des molécules. Les dipôles ont réduit la fonction de travail des électrodes, ce qui a conduit à leur utilisation prometteuse et hautement compatible [181]. Le chitosane auto-assemblé a amélioré les performances de 100 à 200% par rapport aux couches de chitosane et aux piles à combustible revêtues. Il a été observé sans aucune couche intermédiaire cathodique, en termes de conversion de puissance et d’efficacité, respectivement (Figure 11) [182].
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Figure 11. (un) Dégradation photocatalytique de divers nanomatériaux par irradiation solaire après 90 min, (b) efficacité de la dégradation en comparant des catalyseurs tels que le polypyrrole greffé de chitosane ( Ch-g-PPy ), point de carbone à base de polyrôle (PPy @ CD) et point de carbone polypyrrole greffé de chiton (Ch-g-PPy @ CD) nanocomposites [183].
De plus, Zulkifli et al. utilisé un électrolyte polymère à base de chitosane pour créer une cellule solaire plasmonique sensibilisée à la teinture haute performance [184]. L’oxyde de polyéthylène ( PEO ) a été placé entre le TiO2/photoélectrode de colorant et électrode de compteur Pt dans une cellule solaire à base de chitosane. Une approche de moulage de solution simple a été utilisée pour ajouter le sel NH4I donneur d’ions. Le mélange du chitosane avec PEO a été effectué, ce qui a amélioré la flexibilité de l’électrolyte, la mobilité des ions et la conductivité [185]. Ainsi, les 16,5% en poids de chitosane et 38,5% en poids de PEO: NH4I ont montré une augmentation significative de la conductivité, respectivement. Les cellules solaires sensibilisées aux colorants ( DSSC ) ont enregistré une amélioration de 19 fois de l’efficacité globale de 0,06% à 1,13% en incorporant TiO2 particules dans le système cellulaire [186]. Tableau 2 résume les nanomatériaux à base de chitosane / chitine, leur mode de fabrication et d’utilisation dans les applications liées à l’énergie.
Tableau 2. Tabulation des nanomatériaux à base de chitine / chitosane et de leurs applications énergétiques.
Table

5. Limitations et défis

Les applications et les mérites des biopolymères nouveaux et prometteurs, c’est-à-dire des bio-nanocomposites à base de chitine et de chitosane, sont apparents pour atténuer les futurs problèmes mondiaux. Malgré des caractéristiques biologiques et physiochimiques exceptionnelles, les défauts de la molécule offrent des obstacles majeurs et des limites à son applicabilité dans diverses industries clés. Par conséquent, plusieurs inconvénients et problèmes décrits doivent être résolus pour garantir la modification des bio-nanocomposites à base de chitosane. Il existe des inconvénients réfléchis majeurs qui doivent être mis en évidence (Figure 12), et sont décrits ci-dessous:
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Figure 12. Perspectives futures.
  • Les limites actuelles dans les champs médicinaux sont causées par une faible solubilité et un pH, qui ont conduit à des changements physiologiques instables chez les nanocomposites.
  • L’hygiène et la sécurité des bio-nanocomposites synthétisés restent incertaines car l’Autorité européenne de sécurité des aliments ( EFSA ) les nie, bien qu’elle possède une approbation pour le contact alimentaire de l’Autorité de développement des aliments ( FDA ).
  • Une faible stabilité colloïdale rend les bio-nanocomposites à base de chitine et de chitosane impropres à l’administration de médicaments à grande échelle.
  • Une élasticité élevée des bio-nanocomposites à base de chitosane limite leur utilisation et leurs applications.
  • Bien qu’il montre une efficacité satisfaisante dans plusieurs applications médicinales, il existe de nombreux problèmes tels que la libération du médicament, l’efficacité et la capacité de chargement, le taux de dégradation et la fonctionnalisation.
  • Enfin, les centres de transformation industrielle continuent de faire face à des défis financiers pour établir une solide viabilité commerciale des biopolymères durables dans le monde réel.

Recommandations futures

L’importance des nanocomposites à base de chitosane monte en flèche en raison de leurs nombreux avantages. Cependant, il présente certaines difficultés qui doivent être surmontées. La section suivante présente certains éléments et suggestions pour une étude et une recherche futures:
  • La nanotechnologie a un grand potentiel en agroéconomie pour améliorer les zones agricoles. À cet égard, la nano-chitine ou le nano-chitosane peuvent être de puissants outils pour fournir des nano-produits chimiques ou des nano-agro-fertilisants respectueux de l’environnement.
  • Leurs composants peuvent être utilisés pour faire pousser des cultures, gérer des ravageurs, augmenter la production de poisson, produire de la viande, conserver les graines, améliorer le système immunitaire des cultures et développer des cultures à forte résistance à la sécheresse et à la salinité, entre autres éléments.
  • Il existe très peu d’études in vivo démontrant la formulation et la conjugaison de nano-porteurs à base de chitosane avec des anticorps ainsi que l’évaluation de la toxicité à long terme des nano-porteurs. Ainsi, de futures recherches peuvent être menées sur des études d’anticorps couplés à des nano-porteurs à base de chitosane.
  • Comme les oxydes métalliques ont montré des caractéristiques semi-conductrices, optiques et photocatalytiques uniques, les bio-nanocomposites chitosan / oxyde métallique pourraient apporter un changement remarquable pour la cicatrisation des plaies et d’autres futures études de régénération.
  • La chitine et le chitosane peuvent être un futur choix de recherche attrayant en tant que bio-nanocatalyseurs hétérogènes et études cinétiques.
  • En raison de leur pH physiologique, les bio-nanocomposites à base de chitosane ont une solubilité limitée. Dans cette situation, les chercheurs devraient se concentrer sur le développement de nouveaux matériaux bio-nanocomposites à base de chitosane avec une solubilité et une agrégation améliorées.
  • Les traitements conventionnels à l’acide et aux alcalis doivent être remplacés par de nouvelles méthodes biologiques pour l’extraction du chitosane. Dans des situations industrielles compétitives, des méthodes d’extraction respectueuses de l’environnement et rentables doivent également être établies.
  • Les crabes, les crevettes, les insectes et les champignons acquièrent une énorme demande dans de nombreuses zones industrielles en raison de leurs caractéristiques remarquables. À mesure que ces ressources naturelles deviennent plus populaires, on craint de plus en plus qu’elles disparaissent. La mission des chercheurs ’ devrait être axée sur l’identification d’autres sources d’énergie afin de rétablir l’équilibre écologique.
  • Les chercheurs devraient se concentrer sur l’introduction de nanomatériaux à haut degré d’élasticité pour les nouveaux appareils électroniques.

6. Conclusions

Pour résumer, l’impact dangereux des matières toxiques et non biodégradables a causé des effets néfastes sur la santé humaine et l’environnement. Par conséquent, il a en effet retenu l’attention des chercheurs pour introduire une variété de bio-nanocomposites. Actuellement, les bio-nanocomposites dérivés de la chitine et du chitosane sont les alternés émergents avec des propriétés fonctionnelles et une compatibilité exceptionnelles. Dans ce document, nous avons résumé leur analyse structurelle et leur fabrication en un grand nombre de bio-nanocomposites à base de graphène. Il a été observé que plusieurs types de méthodes de fabrication ont été utilisées pour conférer des propriétés différentes à leurs applications particulières. En particulier, les tendances progressives des applications énergétiques ont été élaborées avec leurs attributs impressionnants envers les appareils électroniques. Enfin,nous concluons que les bio-nanocomposites de graphène dérivés du chitosane ont un fort potentiel pour des applications inexplorées, telles que le traitement des eaux usées et la pollution de l’environnement, ainsi que dans l’industrie pétrolière et gazière, comme pour les fluides de forage, les opérations mécaniques, la chimie cinétique et informatique.

Contributions des auteurs

R.I., concept original et ébauche initiale de l’article; R.I. et G.K., résumé de la littérature; G.K., M.M.S. et A.S., traitement et analyse des données; B.M.J. et M.A.Q., supervisé et coordonné le travail; G.K., M.M.S. et R.I., acquisition de financement. Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Financement

Les auteurs souhaitent remercier chaleureusement la Malaysia – Thailand Joint Authority sous le numéro de subvention IF062-2019 et le Fundamental Research Grant Scheme FP050-2019A de l’Université de Malaya pour avoir fourni des fonds pendant la cours de cette étude. Enfin, ces travaux ont été cofinancés par l’Union européenne et les fonds nationaux grecs à travers le programme d’opérations Compétitivité, Entrepreneuriat et Innovation, dans le cadre de l’appel RESEARCH – CRÉER – INNOVER ( deuxième cycle ); acronyme: SEMI-WEB; code de projet: T2EDK-02073.

Déclaration du comité d’examen institutionnel

Sans objet.

Déclaration de consentement éclairée

Sans objet.

Déclaration de disponibilité des données

Sans objet.

Conflits d’intérêts

Les auteurs déclarent qu’il n’y a pas de conflits d’intérêts concernant la publication de ce manuscrit.

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Source

Et si la source ci-dessus venait à disparaitre ou être modifiée, ci-dessous une sauvegarde de cette page dans la WayBackMachine à la date d’extraction de cet article, soit le 29/01/2023:

https://web.archive.org/web/20230129171603/https://www.mdpi.com/2073-4360/13/19/3266

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