Synthèse verte et rentable de nanoparticules d'oxyde d'étain :examen des méthodologies de synthèse, du mécanisme de formation et de leurs applications potentielles

Introduction

Au cours des dernières décennies, la nanotechnologie est devenue un nouveau domaine de recherche traitant de la synthèse, de la caractérisation, de la modification et de l'utilisation des nanomatériaux pour leur formidable application dans des domaines tels que la pharmacie, l'industrie alimentaire, les cosmétiques, l'industrie textile, la médecine, l'optique, l'électronique, sciences de l'énergie et applications électrochimiques [1,2,3,4]. Les nanomatériaux sont des matériaux ayant une dimension dans une plage de tailles de 1 à 100 nm. Le très grand rapport surface-volume et la taille extrêmement petite de ces matériaux peuvent entraîner des activités électriques, optiques, magnétiques, catalytiques et antimicrobiennes complètement nouvelles ou améliorées par rapport à leurs matériaux en vrac [5,6,7]. En raison de ces propriétés uniques, les nanoparticules trouvent des applications dans divers domaines de la science et de l'ingénierie modernes, tels que la nanomédecine, la photocatalyse, les biocapteurs, les agents de nettoyage et l'industrie textile [1, 8]. Parmi les nanoparticules, l'oxyde d'étain(IV) (SnO₂ ) en particulier a suscité une immense attention en raison de leurs applications polyvalentes telles que les dispositifs optoélectroniques [9], les capteurs de gaz à l'état solide [10], les électrodes pour batteries lithium-ion [11], les affichages à émission de champ [12], les diodes électroluminescentes [13], catalyse [14], cellules solaires à colorant [15], médecine [16], photo-capteurs et revêtements antistatiques [17].

En science des matériaux, SnO₂ est considéré comme un semi-conducteur de type n déficient en oxygène, qui cristallise sous forme de structure rutile tétragonale avec des constantes de réseau a = b = 4.7374 Å et c = 3.1864 Å. La maille élémentaire est constituée de deux atomes d'étain coordonnés six fois et de quatre atomes d'oxygène coordonnés trois fois [18, 19]. Un large écart énergétique (3,6 à 3,8 eV), une forte stabilité thermique (jusqu'à 500 °C), un degré élevé de transparence dans le spectre visible, de fortes interactions chimiques et physiques avec les espèces adsorbées font du SnO₂ un candidat prometteur pour une application potentielle dans les batteries lithium-ion, les capteurs, la catalyse, le stockage d'énergie, les revêtements de verre, la médecine et l'assainissement de l'environnement [20,21,22,23]. SnO₂ est utilisé comme capteur pour améliorer le temps de réponse et la sensibilité en raison de sa surface spécifique élevée, de sa stabilité chimique élevée, de sa faible résistance électrique et de sa faible densité [24]. Depuis quelques années, SnO₂ a été minutieusement exploré pour ses applications dans les cellules solaires [25] et les capteurs de gaz pour détecter les gaz combustibles tels que CO, NO, NO₂ , H₂ S et C₂ H₅ OH [26,27,28,29]. En raison des propriétés physico-chimiques uniques et des applications potentielles des nanoparticules (NP), la communauté scientifique a développé plusieurs méthodes pour produire des nanoparticules. Cependant, les méthodes chimiques et physiques utilisées pour la synthèse de nanoparticules métalliques et d'oxydes métalliques sont assez coûteuses et utilisent des substances toxiques dangereuses pour l'environnement et la santé humaine [30]. Ces dernières années, la plupart des chercheurs ont changé leur intérêt de recherche vers la synthèse verte des NP car elle présente de nombreux avantages tels qu'une procédure de fabrication simple et rentable, la reproductibilité de la production et aboutit souvent à des nanoparticules plus stables [31]. Au cours de la dernière décennie, plusieurs études sur la synthèse verte de SnO₂ NPs ont été signalés. Cependant, aucun article de synthèse n'est disponible dans la littérature qui démontre la méthodologie de synthèse et le mécanisme de formation. Par conséquent, cet article décrit la synthèse verte, le mécanisme de formation, les techniques de caractérisation et les applications potentielles de SnO₂ NPs.

Synthèse verte de nanoparticules d'oxyde d'étain

SnO₂ Les NP sont synthétisées par diverses méthodes physiques, chimiques et écologiques. Les méthodes chimiques comprennent le sol-gel, l'hydrothermie, la précipitation, la méthode mécanochimique, la microémulsion, etc. [31,32,33,34,35,36,37]. Parmi les méthodes chimiques, la technique la plus largement utilisée est la synthèse sol-gel, qui utilise un sel précurseur d'étain et des réactifs chimiques qui régulent la formation du gel contenant de l'étain. Après cela, le gel est exposé à un traitement thermique à des températures allant jusqu'à 800 °C pour obtenir SnO₂ NP [32, 38]. Des stabilisants chimiques et des agents de coiffage, tels que l'acide oxalique ou les éthylène glycols, peuvent être ajoutés lors de la synthèse de SnO₂ NPs pour contrôler la taille et interdire l'agglomération des nanoparticules [32, 39]. Le pH d'une solution, la concentration de produits chimiques, le temps de réaction et la température de calcination peuvent également influencer la taille et la morphologie des nanoparticules [31, 34, 35, 36, 37]. Les méthodes susmentionnées de synthèse de SnO₂ Les NP utilisent divers réactifs chimiques, solvants et tensioactifs dangereux, qui créent une menace sérieuse pour l'environnement et la santé humaine [4, 30].

SnO₂ Les NP peuvent également être synthétisées par des techniques physiques telles que la pyrolyse par pulvérisation, l'oxydation thermique, le dépôt chimique en phase vapeur, l'ablation au laser et les ultrasons [40,41,42,43,44]. Parmi ces méthodes, l'ablation au laser est considérée comme une méthode simple et rentable pour synthétiser des nanoparticules de métal et d'oxyde métallique dans un liquide [44, 45]. Contrairement aux autres méthodes conventionnelles, cette méthode ne nécessite pas d'agents de coiffage/réducteur, à haute température ou haute pression, et nous permet de produire des nanoparticules de haute pureté [44, 45]. La variation des paramètres des impulsions appliquées à partir du faisceau laser et le temps d'ablation sont des paramètres importants qui définissent la taille des particules, la morphologie et la chimie de surface des nanoparticules [44]. Cependant, la plupart des méthodes physiques nécessitent un équipement complexe, une énergie élevée et une main-d'œuvre qualifiée [46]. Par conséquent, il est très important de développer des méthodes de synthèse qui soient respectueuses de l'environnement, bon marché, efficaces et qui fonctionnent aux conditions ambiantes. Une de ces solutions est une synthèse verte, et de nombreux chercheurs ont développé une approche de chimie verte pour synthétiser des nanoparticules d'oxyde d'étain. Dans la stratégie de synthèse verte, des entités biologiques telles que des extraits de plantes, des micro-organismes ou d'autres sources vertes pourraient être utilisées comme alternative aux méthodes physiques et chimiques conventionnelles [47]. De nos jours, les méthodes de synthèse d'inspiration biologique sont également appelées synthèse verte car elles sont en accord avec les douze principes de la chimie verte [48]. Certains des avantages distincts de la synthèse biologique par rapport aux méthodes physiques et chimiques sont (a) une méthode propre et respectueuse de l'environnement, car des produits chimiques non toxiques sont utilisés, (b) l'utilisation de sources renouvelables, (c) les composants biologiques actifs comme l'enzyme elle-même en tant que ainsi que les produits phytochimiques agissent comme agents réducteurs et coiffants, minimisant ainsi le coût global du processus de synthèse, (d) des conditions expérimentales externes telles qu'une pression et une température élevées ne sont pas nécessaires, ce qui entraîne des économies d'énergie importantes [49, 50].

Au cours de la dernière décennie, l'intérêt de synthétiser le SnO₂ Les NP via la méthode biologique ont considérablement augmenté, car le processus est plus fiable, respectueux de l'environnement, rentable, à faible rendement et à haut rendement et des procédures simples sans causer d'effet néfaste sur l'environnement. Une variété de substrats biologiques tels que des extraits de plantes, des bactéries et des biomolécules naturelles ont été utilisés avec succès pour la synthèse verte de SnO₂ NPs. Les composés phytochimiques de diverses plantes et enzymes de bactéries sont principalement responsables de la synthèse verte. Les composés actifs présents dans les sources vertes jouent également le rôle d'agent réducteur, coiffant et stabilisant lors de la synthèse. Les NP souhaitées sont souvent obtenues après calcination ou recuit à des températures spécifiées [51,52,53,54].

Synthèse à médiation végétale de nanoparticules d'oxyde d'étain

La synthèse à médiation végétale est devenue la meilleure plate-forme de synthèse par rapport aux méthodes physico-chimiques conventionnelles, car elle est exempte de produits chimiques toxiques et fournit un coiffage naturel ainsi que des agents réducteurs. De plus, il est facile et écologique et donne un produit enrichi en quantité exempt d'impuretés. Dans cette méthode, il n'est pas nécessaire d'utiliser des équipements à haute température, haute pression et coûteux. De plus, la synthèse à médiation végétale conduit à la production à grande échelle de nanoparticules plus stables avec des formes et des tailles variables [55, 56]. Des extraits d'un grand nombre de parties de différentes espèces végétales ont été utilisés pour la synthèse verte de SnO₂ NPs. En général, la synthèse à médiation végétale de SnO₂ NPs est un processus très simple dans lequel un sel mince est ajouté à l'extrait préalablement préparé. Après la réaction, la solution est soumise à une centrifugation. Enfin, les pastilles sont ensuite soumises à un traitement thermique suivi d'une caractérisation à l'aide de diverses techniques analytiques telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), le diffractomètre à rayons X (XRD), l'analyse aux rayons X à dispersion d'énergie (EDS), la microscopie électronique à balayage ( SEM), microscopie électronique à transmission (TEM), analyseur de taille de particules (PSA) et diffusion dynamique de la lumière (DLS). La spectroscopie UV-visible (UV-Vis) est utilisée pour surveiller la formation de nanoparticules. Le protocole détaillé pour la synthèse à médiation végétale de SnO₂ Les NP sont schématiquement illustrées sur la figure 1. Diallo et al. a signalé la synthèse verte de SnO₂ NPs en utilisant Aspalathus linearis et chlorure d'étain pentahydraté (SnCl₄ ·5H₂ O) comme précurseur [51]. Le sel a été dissous dans l'extrait de plante et la formation d'un dépôt blanc a été observée après 10 min. Le dépôt blanc a été recueilli après le processus de centrifugation et a été séché à environ 80 °C. La poudre a été recuite à différentes températures pendant environ 4 h et soumise à diverses techniques analytiques telles que la microscopie électronique à transmission haute résolution (HR-TEM), l'EDS, la XRD et la spectroscopie de photoémission à rayons X (XPS). Les NP étaient de forme quasi sphérique avec une taille moyenne comprise entre 2,5 et 11,40 nm. Il a été observé que la taille des particules et la nature cristalline des NP augmentent avec l'augmentation de la température de recuit. De plus, les composants bioactifs tels que l'aspalathine, la nothofagine et l'aspalalinine présents dans l'extrait de plante agissent à la fois comme agents chélateurs et réducteurs. Camellia sinensis l'extrait de feuille a également été utilisé pour synthétiser le SnO₂ NP [53]. Les polyphénols présents dans l'extrait de feuilles agissent à la fois comme agents stabilisants et comme agents de coiffage. La microscopie électronique à balayage à haute résolution (HR-SEM) et l'analyse XRD ont révélé une forme sphérique SnO₂ NPs avec une taille comprise entre 5 et 30 nm. De plus, la bande interdite des NP s'est avérée diminuer avec l'augmentation de la température de recuit. Le Catunaregam spinosa -SnO₂ synthétisé vert médié Les NP ont montré une excellente activité photocatalytique contre le colorant rouge Congo [57]. Les NP biosynthétisées ont une forme sphérique et une taille moyenne de 47 nm.

Un diagramme schématique de la synthèse de SnO₂ médiée par des extraits végétaux NP

L'extrait de feuille d'Aloe barbadensis miller a été utilisé pour synthétiser SnO₂ NP de SnCl₂ ·2H₂ O comme précurseur [58]. Les NP résultantes se sont avérées sphériques avec une taille moyenne variant de 50 à 100 nm. De plus, les nanoparticules synthétisées présentaient une excellente activité antibactérienne contre S. aureus et E. coli.

Dans une autre étude, la synthèse verte de SnO₂ Les NP ont été effectuées par une méthode efficace et peu coûteuse en utilisant Plectranthus amboinicus extrait de feuille et SnCl₂ ·2H₂ O comme matière première [59]. L'extrait de plante agit comme un agent réducteur et stabilisant. Les NP résultantes ont été caractérisées par SEM, EDX, XRD et PSA. Les NP étaient de forme tétragonale avec une taille de particule moyenne de 63 nm. De plus, les auteurs ont révélé que les NP biosynthétisées présentaient une plus grande activité photocatalytique contre la Rhodamine B par rapport au SnO₂ commercial. . Synthèse verte de SnO₂ Les NPs ont été rapportées à l'aide de Nyctanthes arbor-tristis (Parijataka) extrait de fleur [60]. Comme il ressort de l'analyse SEM et PSA, les nanoparticules synthétisées présentaient la morphologie de fins granules avec un minuscule stade d'agglomération et une taille de grain moyenne de 2 à 8 nm. L'étude a également exploré le potentiel d'hydrolyse et de coiffage de l'extrait de plante.

La synthèse verte de SnO₂ Les NP ont été réalisées selon un processus peu coûteux et respectueux de l'environnement utilisant du Psidium guajava extrait de feuille [61]. Le résultat UV-Vis a révélé un pic de résonance plasmonique de surface à 314 nm, confirmant la formation de SnO₂ NPs. De plus, les NP étaient sphériques avec une taille allant de 8 à 10 nm. L'étude a également montré que les NP présentent une dégradation de 90 % du jaune réactif 186 en 180 min sous irradiation solaire. Bhosale et al. [62] ont identifié l'extrait de feuille de Calotropis gigantea comme source naturelle pour la synthèse de SnO₂ NPs. Les métabolites secondaires de l'extrait agissent à la fois comme agent stabilisant et coiffant dans la conversion du chlorure d'étain en SnO₂ NPs. Les auteurs ont suggéré que les NP étaient sphériques et d'une taille moyenne comprise entre 30 et 40 nm. Les NP synthétisées dégradent le colorant méthyl orange jusqu'à 80 %, en 120 min. Singh et al. [63] ont rapporté la biosynthèse de SnO₂ NP utilisant Piper betle extrait de feuille. Les analyses SEM et MET ont révélé la formation de NP sphériques d'une taille moyenne de 8,4 nm. Les NP dégradent le jaune réactif 186 dans un pseudo-premier ordre avec une efficacité de 92,17%. De plus, les NP ont montré une excellente sélectivité envers l'élimination du jaune réactif 186 par rapport au rouge réactif 120 et au vert réactif 119. Dans la littérature, différentes plantes et extraits de plantes ont été utilisés pour la préparation de SnO₂ (Tableau 1). A partir du tableau, on peut voir que la nature des espèces végétales et les conditions de réaction affectent la taille et la forme de SnO₂ NPs.

Synthèse médiée par des bactéries de nanoparticules d'oxyde d'étain

Les microbes sont des nano-usines importantes qui acquièrent un immense potentiel en tant qu'outils écologiques et rentables, évitant les produits chimiques toxiques et la haute énergie nécessaire à la synthèse physico-chimique. Divers microbes tels que des bactéries, des champignons et des levures ont été utilisés pour la synthèse de nanoparticules de métaux et d'oxydes métalliques de manière intracellulaire ou extracellulaire. La synthèse intracellulaire implique le transport des ions métalliques dans la cellule microbienne et la formation des NP en présence de l'enzyme, des coenzymes et d'autres biomolécules à l'intérieur de la cellule. Lors de la synthèse extracellulaire, les ions métalliques sont piégés à la surface de la cellule microbienne. Les enzymes et protéines disponibles à la surface réduisent les ions métalliques et sont responsables de la stabilisation des NPs [73]. Cependant, la synthèse extracellulaire est plus avantageuse par rapport à la voie intracellulaire car elle peut être utilisée pour fabriquer de grandes quantités de NP et élimine diverses étapes de synthèse nécessaires à la récupération des NP [74].

La synthèse biologique utilisant des bactéries est une approche verte et rentable par rapport à la synthèse chimique. Cependant, cette méthode présente plusieurs inconvénients :(a) le criblage des microbes est un processus qui prend du temps, (b) nécessite une surveillance attentive du bouillon de culture et de l'ensemble du processus, et (c) est difficile de contrôler la taille et la morphologie des les NP. Toutes les bactéries ne peuvent pas synthétiser des NP en raison de leur processus métabolique intrinsèque et de leurs activités enzymatiques. Par conséquent, une sélection minutieuse d'une bactérie appropriée est nécessaire pour produire des NP avec une taille et une morphologie bien définies [74]. Par exemple, une étude menée par Srivastava et Mukhopadhyay [54] a signalé une procédure peu coûteuse, écologique et la plus simple pour la synthèse de SnO₂ NP utilisant Erwinia herbicola frais et propre des cellules bactériennes et une solution aqueuse de chlorure d'étain(II). Le SnO₂ synthétisé Les NP étaient pour la plupart sphériques avec une taille comprise entre 10 et 42 nm. Il a été rapporté que la protéine bactérienne et d'autres biomolécules servent d'agent réducteur et stabilisant lors de la synthèse de SnO₂ NPs. Ces biomolécules ont également aidé à contrôler la taille et l'agrégation de SnO₂ NPs.

Synthèses de biomolécules et autres sources vertes de nanoparticules d'oxyde d'étain

En dehors de la synthèse à médiation végétale et bactérienne de SnO₂ NPs, les chercheurs ont développé une approche de chimie non toxique, respectueuse de l'environnement et verte en utilisant d'autres biomolécules telles que les acides aminés, les vitamines, les enzymes et les sucres (tableau 2). Yang et al. [75] synthétisé SnO₂ NPs utilisant une méthode peu coûteuse et respectueuse de l'environnement utilisant la vitamine C (acide ascorbique), une biomolécule naturellement disponible. L'analyse MET a montré la formation de NP sphériques d'une taille moyenne d'environ 30 nm. La vitamine C agit à la fois comme coiffant et comme agent réducteur lors de la synthèse. L'étude a suggéré que la vitamine C plafonnée à la surface du SnO₂ Les NP ont diminué le stress oxydatif causé par le SnO₂ NPs sur les cellules, conduisant à une perte de poids réduite chez les souris néonatales. SnO sphérique₂ Les NP d'une taille de particule moyenne de 13 nm ont été préparées à l'aide de glucides (amidon) [76]. Il a été suggéré que l'hydrate de carbone agit comme un modèle, qui pourrait lier plusieurs cations métalliques à travers leurs groupes fonctionnels, et par conséquent, une dispersion uniforme des cations a été observée. Dans une autre étude, l'eau résiduelle collectée à partir de haricots verts du Bengale trempés (Cicer arietnum L.) a été utilisé pour synthétiser du SnO₂ non dopé , et SnO₂ dopé Ni, Fe et Au NP [77,78,79]. Les auteurs ont suggéré que la pectine dans l'extrait était responsable de la synthèse du SnO₂ NPs. La taille moyenne des cristallites du SnO₂ non dopé de forme sphérique , SnO₂ dopé Ni , et SnO₂ dopé Au Les NP étaient respectivement de 11 nm, 6 nm et 25 nm.

Une autre étude a montré une approche verte pour synthétiser le SnO₂ NPs utilisant une membrane de coquille d'œuf (ESM) [80], un biodéchet naturel de la coquille d'œuf de poulet. Il a été suggéré que les biomolécules constitutives de l'ESM telles que l'acide uronique et les saccharides contenant les fragments aldéhyde, qui agissent comme un agent réducteur pendant la synthèse. L'analyse morphologique a montré la formation de tige, de forme hexagonale et sphérique de SnO₂ NP avec une taille de particule comprise entre 13 et 40 nm.

Différents acides aminés comme la glycine, l'arginine, l'acide aspartique, la lysine et la tyrosine [81,82,83,84,85] ont été utilisés pour la synthèse verte de SnO₂ NPs en raison de leurs bons agents coiffants ou complexants. La synthèse à médiation par les acides aminés élimine l'utilisation de produits chimiques toxiques pendant la synthèse. SnO sphérique₂ Les NP ont été synthétisées à l'aide d'arginine [81]. Les études morphologiques suggèrent que le SnO₂ synthétisé Les NP étaient sphériques avec une taille moyenne comprise entre 4 et 5 nm. Bhattacharjee et al. [83] ont utilisé de la glycine pour produire du SnO₂ NPs du chlorure stanneux. Il a été suggéré que les NP formées à 200 °C, 400 °C et 600 °C sont de nature sphérique, polycristalline et monodispersée avec une taille moyenne de 6, 16 et 33 nm, respectivement. De plus, la nanoparticule obtenue à 400 °C était luminescente. De même, Begum et al. [84] ont démontré la synthèse de la structure rutile tétragonale SnO₂ NP utilisant la L-lysine avec une taille comprise entre 4 et 17 nm.

Mécanisme de formation de nanoparticules d'oxyde d'étain par synthèse verte

Au cours des dernières années, différents extraits de plantes, micro-organismes et autres dérivés biologiques ont été utilisés dans la synthèse verte de NPs métalliques et d'oxydes métalliques. Des études ont suggéré que les métabolites secondaires tels que les phénols, les flavonoïdes, les tanins, les saponines, les terpénoïdes et les glucides présents dans l'extrait de plante jouent un rôle important en agissant à la fois comme agents réducteurs et stabilisants dans la synthèse des NP métalliques ou d'oxydes métalliques [87]. De plus, la synthèse médiée par les microbes peut être atteinte soit de manière intracellulaire soit extracellulaire selon l'emplacement où les NP sont formées. Dans la synthèse extracellulaire, la bioréduction se produit à la surface des cellules microbiennes en présence des enzymes disponibles à la surface. De plus, lors de la biosynthèse intracellulaire, les ions métalliques sont transportés dans la cellule microbienne, et les NP s'y forment facilement en présence d'enzymes à l'intérieur de la cellule [73]. Selvakumari et al. [53] ont utilisé Camellia sinensis extrait pour la biosynthèse de SnO₂ NPs. Ils ont démontré à partir de leurs études que les composés polyphénoliques (épicatéchine, épigallocatéchine, gallate d'épicatéchine et gallate d'épigallocatéchine) présents dans l'extrait agissent à la fois comme agents de coiffage et de stabilisation. Le SnO₂ Les NP formés par cette méthode consistent en quelques étapes majeures, notamment (i) la réduction de Sn ²⁺ à Sn ⁰ , (ii) l'effet réducteur des composés phénoliques (-OH) de l'extrait pour former des espèces Sn, et (iii) la transformation thermique des espèces Sn en SnO₂ NPs. Dans le SnO₂ NPs synthétisées à l'aide de Calotropis gigantean extrait de feuilles, les composés polyphénoliques sont responsables des transformations biochimiques des ions étain [62]. SnO sphérique₂ Des NP de taille comprise entre 3,62 et 6,34 nm ont été synthétisées à l'aide d'extrait de chou-fleur [52]. Il a été suggéré que les polyphénols et les flavonoïdes de l'extrait se coordonnent avec les ions métalliques, entraînant la formation de Sn(OH)₂ intermédiaires, qui lors de la calcination conduit à la formation de SnO₂ NPs. Dans une autre étude, Srivastava et Mukhopadhyay [54] ont rapporté la synthèse intracellulaire et extracellulaire de SnO₂ sphérique. NPs par les enzymes sécrétées par la bactérie E. herbier . Dans cette méthode, le Sn ²⁺ les ions sont piégés par les enzymes extracellulaires sécrétées par la cellule bactérienne ou par des protéines associées à la membrane à la surface cellulaire, et la réduction a été initiée par les enzymes déshydrogénases. Le Sn ²⁺ les ions sont réduits en gagnant deux électrons, et une molécule de NAD ⁺ est oxydé pour former du NADH, qui aboutit finalement à la production de Sn NP extracellulaires. Les nanoparticules de Sn biosynthétisées sont ensuite oxydées par l'oxygène présent dans la solution, ce qui conduit à la formation de SnO₂ NPs. L'analyse FTIR a révélé la présence de molécules de type protéine à la surface, qui fournissent un support naturel et une stabilité du SnO₂ NPs. De plus, les acides aminés jouent le rôle d'agents de coiffage ou de complexation, minimisant ainsi l'utilisation de produits chimiques toxiques lors de la synthèse. Le mécanisme possible de la synthèse verte de SnO₂ Les NP sont illustrés à la figure 2 :

Diagramme montrant le mécanisme possible pour la synthèse biologiquement médiée d'oxyde métallique (SnO₂ ) NP

Caractérisation des nanoparticules d'oxyde d'étain

La caractérisation des NPs est très cruciale pour connaître et contrôler la procédure de synthèse et son application. La morphologie de surface et les détails de conformation concernant la taille, la forme, la cristallinité et la surface des NP synthétisés sont étudiés en utilisant diverses techniques. Quelques-unes des techniques utilisées pour caractériser le SnO₂ vert synthétisé Les NP sont UV-Vis, FTIR, XRD, EDS, SEM et TEM. La spectroscopie UV-Vis est utilisée pour surveiller la formation de nanoparticules en étudiant leurs propriétés optiques. Spectres UV–Vis du SnO₂ NPs synthétisées à l'aide de Catunaregam spinosa l'extrait a présenté le pic d'absorption le plus élevé de 223 nm en raison de sa résonance Plasmon de surface [57]. La XRD est une technique puissante utilisée pour étudier la structure cristalline des matériaux. Bhattacharjee et al. [81] caractérisé SnO₂ NPs avec des pics XRD aux angles de diffraction (2θ ) de 26,7, 34,2, 38,07, 51,9, 54,9, 58,1, 62,1, 64,9, 66,08, 71,6 et 79,07 correspondant à (110), (101), (200), (211), (220), (002), (310), (112), (301), (202) et (321) avions, respectivement (Fig. 3). Les pics de diffraction standard montrent la structure rutile tétragonale de SnO₂ NPs avec une taille moyenne de cristallite de 4,6 nm calculées à l'aide de l'équation de Debye-Scherer [81].

Modèles XRD de SnO₂ NPs synthétisées à l'aide d'arginine sous irradiation micro-ondes [81]

La spectroscopie FTIR est utilisée pour étudier la chimie de surface et identifier les groupes fonctionnels présents à la surface des NP, qui pourraient être responsables de la réduction, du coiffage et de la stabilisation des NP [88]. Analyse FTIR de SnO₂ NPs synthétisées à l'aide de Pruni flos l'extrait a montré des bandes d'absorption majeures à 3308, 2153, 1634, 423, 403 et 383 cm ⁻¹ . Les bandes fortes observées à 3308, 2153 et 1634 cm ⁻¹ ont été attribués à l'étirement des vibrations des groupes Sn-OH dues aux molécules d'eau adsorbées sur le SnO₂ surface, étirement C–H des alcynes et vibrations C=O des flavonoïdes, respectivement. Les bandes entre 423 et 383 cm ⁻¹ sont attribuées à un étirement antisymétrique Sn–O–Sn [70]. Des techniques basées sur la microscopie telles que SEM et TEM ont été largement utilisées pour déterminer les propriétés morphologiques des nanoparticules. Cependant, le MET donne une meilleure résolution et des informations sur la structure interne, telle que la structure cristalline et la morphologie, par rapport au SEM. Les résultats les plus précis des propriétés de surface peuvent être acquis en utilisant le FE-SEM. Ces techniques sont également utiles pour estimer la taille moyenne des nanoparticules synthétisées [89]. Les analyses FE-SEM et MET ont révélé la formation de SnO₂ de forme sphérique légèrement aggloméré NP d'une taille moyenne de 30 à 40 nm (Fig. 4) [62].

un Images MET de SnO₂ biosynthétisé les IP ; b Images HR-TEM de SnO₂ les IP ; c Images FE-SEM de SnO₂ NPs et d Modèles SAED de SnO₂ NP

De plus, l'analyse par diffraction sélective des électrons (SAED) a montré que les particules sont de nature nanocristalline (Fig. 4) [62]. La formation de la forme sphérique SnO₂ NPs synthétisées à l'aide de Piper betle extrait aqueux a été déterminé par FE-SEM [63]. D'après les analyses MET et XRD, la taille moyenne des NP s'est avérée être de 8,4 nm.

L'EDS est une technique analytique utilisée pour analyser la composition élémentaire d'un échantillon. Les spectres EDS de SnO₂ NPs synthétisées à l'aide de Psidium Guajava l'extrait de feuille a révélé la présence de pics Sn et O, ce qui confirme la formation de SnO₂ pur NP [61].

Application biologique de nanoparticules d'oxyde d'étain synthétisées vertes

Vert synthétisé SnO₂ Les NP ont montré une activité photocatalytique, antimicrobienne, antioxydante et anticancéreuse améliorée par rapport à leur forme en vrac. Dans cette section, nous avons discuté des applications du SnO₂ synthétisé vert IP dans divers domaines comme guide pour les nouveaux chercheurs pour les perspectives d'avenir.

Activité antimicrobienne

De nombreux chercheurs ont observé une activité antimicrobienne SnO₂ NPs. Par exemple, l'activité antibactérienne de SnO₂ NPs synthétisées à l'aide d'aloe vera extrait de plante a été étudié en utilisant E. coli et S. aureus . Il a été suggéré que les NP étaient plus actives contre S. aureus que E. coli [58]. Cela peut être dû au fait que la paroi cellulaire de E. coli est plus complexe que S. aureus . S. aureus a une membrane composée de peptidoglycane épais. Cependant, la paroi cellulaire de E. coli a une couche de peptidoglycane plus une membrane externe composée de lipopolysaccharide. La membrane externe de E. coli acts as a barrier that lowers the penetration level of ROS into the cell [90,91,92]. Another reason could be the difference in the polarity of their cell membrane. The membrane of S aureus has a more positive charge than E. coli , which result in greater penetration level of negatively charged free radicals causing more cell damage and death in S. aureus than in E. coli [93, 94]. The antibacterial activity of SnO₂ NPs synthesized using Punica granatum seed extract has been tested against E. coli. The bactericidal effect increased with increasing the concentration of the nanoparticles [95]. SnO₂ NPs synthesized using Trigonella foenum-graecum seed extract also showed similar antibacterial activity against E. coli [72]. In a recent study, Clerodendrum inerme leave extract was used for the synthesis of un-doped and Co-doped SnO₂ NPs [96]. The green synthesized un-doped and Co-doped SnO₂ NPs were subjected toward antimicrobial activity against five disease-causing pathogens such as E. coli , B. subtillis , A. niger , A. flavus , and C. Albicans, , and their zone of inhibition diameters (ZOIs), minimum inhibitory concentration (MIC), and minimum bactericidal concentration (MBC) were calculated. The Co-doped SnO₂ NPs showed substantial antibacterial activity against E. coli and B. subtillis in a concentration-dependent manner compared to the un-doped SnO₂ NPs, plant extract, and standard drugs in terms of their MIC (22 ± 0.7, 18 ± 0.8 mg/mL) and MBC (31 ± 0.9, 21 ± 0.6 mg/mL) as well as ZOIs (30 ± 0.08, 26 ± 0.06 nm), respectively. The authors suggested that the broad-spectrum antibacterial activity of Co-doped SnO₂ NPs is due to cobalt doping, which leads to increased grain size and surface area of the NPs as compared to un-doped SnO₂ NPs. As more is the surface area with smaller particle sizes, the greater will be the antimicrobial activity. The associations of biomolecules like flavonoids and phenolic compounds with Co-doped SnO₂ NPs are also responsible for the enhancement of their antimicrobial activity. Furthermore, the green synthesized Co-doped SnO₂ NPs showed extraordinary antifungal activity with maximum ZOIs of 17 ± 0.04, 23 ± 0.08, and 26 ± 0.06 nm against A. niger , A. flavus, and C. Albicans, respectively, in comparison with plant extract, un-doped SnO₂ NPs, and standard drugs [96].

The actual mechanism of action of SnO₂ NPs against microbial strains is still unknown. However, several mechanisms of action against bacteria have been suggested for metal oxide nanoparticles, such as the decomposition of nanoparticles, electrostatic interaction of nanoparticles with the cell wall of microorganisms, and formation of reactive oxygen species (ROS) by the effect of light radiation [97,98,99]. One possible cause for the antibacterial effect of SnO₂ NPs may be the accumulation of the NPs on the surface of the bacterial cell membrane. The ROS generated due to the presence of SnO₂ NPs interacts with the cell membrane and disturbs the membrane permeability and respiration system of the bacteria, which leads to cell death [72, 95, 100]. For instance, Khan et al. suggested that the release of Sn ⁴⁺ et Co ²⁺ is responsible for the damage of bacterial DNA and mitochondria, which inactivates the bacterial enzyme and finally leads to cell death [96].

Antioxidant Activity

Many researchers examined the antioxidant activity of NPs by monitoring the ability in quenching of stable DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) radical into non-radical form (DPPH-H). Kamaraj et al. [101] reported the antioxidant activity of SnO₂ NPs biosynthesized using Cleistanthus Collinus leaves extract. The antioxidant activity of SnO₂ NPs increased with increasing concentration of SnO₂ NPs and reaction time. In another study [95], the free radical scavenging activity of green synthesized SnO₂ NPs increased in a dose-dependent manner. However, the annealed sample exhibited a lower scavenging activity as compared to the as-prepared sample. The decrease in scavenging activity with increasing annealing temperature may be due to a decrease in surface area-to-volume ratio of the NPs. Moreover, the antioxidant efficacy of SnO₂ NPs against DPPH is due to the transfer of electron density between the NPs and the free radical located at nitrogen in DPPH. A similar result was found for SnO₂ NPs synthesized using Trigonelle foenum-graecum aqueous extract [72]. Hong et al. [67] reported significant antioxidant properties of biosynthesized SnO₂ NPs. The antioxidant activity of the biosynthesized SnO₂ increased with increasing concentration of the NPs, with IC₅₀ (half-maximal inhibitory concentration) value of 2257.4 µg/ml. Recently, Khan et al. reported significant antioxidant activity of Co-doped SnO₂ NPs, as compared to un-doped SnO₂ NPs and plant extract [96].

Cytotoxic Activity

SnO₂ NPs synthesized using an aqueous extract of agricultural waste of dried peel of Annona squamosa were evaluated for cytotoxicity test against the hepatocellular carcinoma cell line (HepG2) [64]. TEM results revealed the loss of cell volume, considerable swelling of the cells, and nuclear condensation. The nuclear condensation seen in SnO₂ NP-treated HepG2 cells might be due to the breakdown of chromatin in the nucleus. SnO₂ NPs inhibited cell proliferation in a dose- and time-dependent manner with an IC₅₀ value of 148 µg/mL. SnO₂ NPs synthesized using piper nigrum seed extract exhibited higher cytotoxic activity against colorectal (HCT116) and lung (A549) cancer cell lines [69]. The proliferation of both cancer cell lines increased with increasing NPs size. Besides, a gradual decline in cell viability was observed with increasing dosage of SnO₂ NPs. The authors concluded that the cytotoxic effect was associated with the generation of oxidative stress from reactive oxygen species (ROS). SnO₂ NPs fabricated by using Pruni spinosae flos aqueous extract revealed an excellent cytotoxic effect against non-small cell lung cancer cell A549 and lung fibroblast CCD-39Lu cells, in concentration- and time-dependent manner [70]. Recently, Khan et al. [96] investigated the in vitro cytotoxic effect of green synthesized un-doped SnO₂ NPs and Co-doped SnO₂ NPs against mammary gland breast cancer (MCF-7), human amnion (WISH), and human lung fibroblast (WI38) cell lines by a colourimetric technique 3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5-diphenyl tetrazdium bromide (MTT) assay. The green synthesized Co-doped SnO₂ NPs showed significant and substantial mortality rate compared to un-doped SnO₂ NPs, plant extract, and standard drug 5-FU (5-5-5-fluorouracil), while un-doped SnO₂ NPs exhibited a similar mortality rate to that of the standard drug, but the lowest cytotoxicity against breast cancer cell line was observed with the plant extract. The cytotoxic effect of the plant extract, green synthesized un-doped SnO₂ , and Co-doped SnO₂ NPs was performed with IC₅₀ values of 31.56 ± 1.4, 26.99 ± 1.9, and 18.15 ± 1.0 µg/mL for MCF-7, and 40.69 ± 0.9, 38.97 ± 0.8, and 36.80 ± 0.6 µg/mL for WI38, and 38.56 ± 0.8, 35.56 ± 0.9, and 31.10 ± 0.7 µg/mL, respectively, and depicted that the cytotoxicity of Co-doped SnO₂ NPs was more proficient as compared to plant extract and un-doped SnO₂ NPs alone. Additionally, the authors reported excellent observational results showing greater in vitro inhibition of breast cancer MCF-7 cell lines in a concentration- and dose-dependent manner. The green synthesized NPs also showed robust cytotoxicity against MCF-7 as compared to WI38 and WISH normal cell lines with Co-doped SnO₂ NPs unveiling higher ROS generation than the un-doped SnO₂ NPs. Figure 5 shows the probable cytotoxicity mechanism of green synthesized SnO₂ NPs.

Mechanism during cytotoxicity of green synthesized SnO₂ NP

Photocatalytic Activity

The uncontrolled release of toxic chemicals, hazardous textile dyes, and pesticides from various industries into the running water has led to severe environmental problems. These superfluous water contaminants cause long-term adverse effects and pose a real threat to aquatic and human life. Besides, some organic dyes are carcinogenic and toxic. Hence, treating water that contains poisonous chemicals before disposal to the environment is very crucial to reduce environmental pollution. Recent studies have shown that nanostructured semiconductor metal oxides act as an excellent photocatalyst for the removal of various water pollutants [102,103,104,105]. Among the semiconductor metal oxides, SnO₂ is extensively used in the removal of common textile dyes and organic compounds owing to its beneficial characteristics, which include physical and chemical stability, high surface reactivity, high photocatalytic efficiency, low cost, and low toxicity [68, 106]. Manjula et al. [107] synthesized SnO₂ nanoparticles using glucose. The NPs were effectively used as a catalyst in degrading methyl orange (MO) dye. The effect of calcination temperature (150–500 °C) on the photocatalytic activity of the NPs was investigated, and the results revealed that the as-synthesized SnO₂ NPs calcinated at 150 °C is the best photocatalyst for the reaction under study among the studied materials. Moreover, the as-prepared SnO₂ nanoparticles degraded methyl orange completely in 30 min, and also, the nanomaterials may be recycled with enhanced efficiency a minimum of five times. In another study [108], the photocatalytic activity of the SnO₂ QDs (quantum dots) synthesized by using serine was evaluated by monitoring the optical absorption spectra of eosin Y solution under direct sunlight. It was observed that the rate of degradation of eosin Y using SnO₂ QDs (98%) is higher than that using commercial SnO₂ (96%) and P25 (88%). Begum et al. [84] reported the synthesis of SnO₂ NPs using an amino acid, L-lysine monohydrate. The synthesized nanoparticles were evaluated for their photocatalytic behavior toward toxic organic dyes, namely malachite green oxalate (MGO) and Victoria blue B (VBB) under direct sunlight. The absorption peak of these dyes has begun to reduce, which shows that the chromophore structure has been demolished (Fig. 6). Furthermore, the as-prepared SnO₂ NPs exhibited an outstanding photocatalytic degradation of MGO (97.3%) and VBB (98%) dye within 120 min. Literature reports on the photocatalytic activity of green synthesized SnO₂ NPs are summarized in Table 3.

Photocatalytic degradation of malachite green oxalate dye under solar irradiation using SnO₂ NP

Gas-Sensing Property

Many metal oxide-based gas sensors are widely used for gas-sensing applications. However, SnO₂ NPs has gained tremendous attention in gas sensing under atmospheric conditions because of its beneficial properties, which include high sensitivity, high selectivity, easy reversibility, and cheap manufacturing costs. Green synthesized porous SnO₂ nanospheres demonstrated excellent gas sensing capabilities [107]. It was observed that the assimilation of 0.5 wt% Pd into the SnO₂ matrix improved the sensitivity and made it highly selective for low-temperature hydrogen detection. Moreover, the fabric was able to respond to even 50 ppm H₂ in N₂ at room temperature with an interval of 10 s. These sensing properties are due to the synergetic effect of both the porous structure of SnO₂ nanospheres and also the catalytic property of Pd nanoparticles. Gattu et al. [77] reported the gas-sensing behavior of biosynthesized and chemically synthesized Ni-doped SnO₂ NPs thin films. The biosynthesized Ni-doped SnO₂ NPs thin film showed higher NO₂ gas-sensing response as compared to the chemically synthesized ones. The sensor response was found to be increased with Ni doping for both biosynthesized and chemically synthesized Ni-doped SnO₂ NPs. This may be due to the reduction of particle size with Ni-doping, which results in increased surface area for adsorption of NO₂ gaz. Furthermore, the Ni-doped SnO₂ thin film exhibited excellent selectivity toward NO₂ gas when put next to other gases like NH₃ , LPG and H₂ S. In another study [78], the gas-sensing properties of un-doped and Fe-doped SnO₂ NPs synthesized using Cicer arietnum L. extract were reported. The gas response within the presence of 100 ppm NH₃ gas at 200 °C operating temperature was found to be 28% for un-doped SnO₂ and 46% for Fe-doped SnO₂ Films minces. Moreover, the Fe-doped SnO₂ -based sensor was found to be more selective for NH₃ gas as compared to the un-doped SnO₂ capteur. The biosynthesized Au-doped SnO₂ NPs were found to be highly sensitive to NO₂ gas at 200 °C operating temperature [79]. Gas sensor supported Au-doped SnO₂ NPs showed the gas response of ~ 30% for 100 ppm of NO₂ gaz. Additionally, the gas sensor of Au-doped SnO₂ NPs showed excellent selectivity toward NO₂ gas when put next to other gases like H₂ S, LPG, and NH₃ . The improved gas response and selectivity toward NO₂ gas are because of the lattice distortion induced by Au-doping and also the oxygen vacancies generation within the SnO₂ lattice.

Conclusions

The use of green methods for the production of NPs has been the area of focused research because it is an eco-friendly, inexpensive, nontoxic, and sustainable method. Numerous studies report the possibility of producing SnO₂ NPs via a green protocol using a range of plant materials, bacteria, and natural biomolecules. The literature survey shows that the green substrates act as reducing and stabilizing agents or capping agents regardless of their source. Among the various green methods of SnO₂ synthesis, plant-mediated synthesis is cost-effective, easy to process, and less hazardous than microorganisms. However, the plant extracts consist of a large number of active compounds in a different composition, which makes it difficult to know the exact amount of the molecules responsible for the reduction of metal ions. Due to this complexity, it is difficult to evaluate the synthesis of nanoparticles. Therefore, further study on the mechanism of formation of SnO₂ NPs is required to understand the chemical reactions that occur during the synthesis. With the knowledge of the actual reaction mechanism, it will be possible to monitor and optimize the biosynthesis process, which is essential for the large-scale production of SnO₂ NPs. Hence, understanding of the rapidly growing method of synthesis discussed herein will help facilitate future research progress on SnO₂ NPs and their enormous potential for industrial-scale production in the near future.

Disponibilité des données et des matériaux

Not available.

Abréviations

NPs:

Nanoparticules

SnO₂ NP :

Tin oxide nanoparticles

UV-Vis :

Ultraviolet-visible spectroscopy

SEM :

Microscopie électronique à balayage

FE-SEM :

Microscopie électronique à balayage à émission de champ

TEM :

Microscopie électronique à transmission

HR-TEM :

Microscopie électronique à transmission haute résolution

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

EDS :

Energy dispersive X-ray analysis

PSA:

Particle size analyzer

XPS :

X-ray photoemission spectroscopy

SAED :

Selective area electron diffraction