Fibres de carbone activé haute performance revêtues de nanopoils d'argent par auto-assemblage et recuit thermique rapide

Résumé

Les fibres de carbone modifiées par des nanomatériaux anisotropes émergent comme alternatives supérieures aux composites conventionnels. Ici, nous rapportons la fabrication de fibres de carbone activé (FCA) densément décorées de nanopoils d'argent en utilisant une approche d'auto-assemblage facile suivie d'un recuit thermique rapide. Des fibres de viscose ont d'abord été imprégnées de nanoparticules d'argent (AgNP) coiffées par du poly(amino-amine) hyperbranché (HBPAA), qui fournissaient une attraction électrostatique et une médiation par groupes amino pour un revêtement monodispersé. La pré-oxydation et la carbonisation subséquentes dans un four ouvert ont produit des FCA qui libéraient spontanément de l'argent liquide depuis leurs pores, qui se solidifiait en nanofils lors du refroidissement rapide. La MEB-FE a confirmé la présence de nanopoils d'Ag croissant depuis les pores des FCA ; la XPS et le DRX ont démontré que l'argent restait métallique après le traitement haute température, et l'ATG a montré que la stabilité thermique était préservée. Les FCA revêtues de nanopoils d'Ag résultantes exhibaient une activité antibactérienne robuste et à long terme contre Escherichia coli et Staphylococcus aureus. Ce travail offre une voie scalable pour concevoir des fibres de carbone activé fonctionnalisées par nanofils métalliques avec applications potentielles en filtration, catalyse et textiles antimicrobiens.

Contexte

Les fibres de carbone (FC) sont définies comme fibres contenant au moins 92 % de carbone en masse et sont typiquement dérivées de précurseurs polymériques tels que le polyacrylonitrile (PAN), le pitch, la cellulose, la lignine et le polyéthylène. Le PAN est longtemps resté le précurseur le plus largement utilisé en raison de son excellente filabilité et haut rendement en carbone, pourtant le coût de production élevé limite encore le déploiement à grande échelle. Les fibres de carbone activé dérivées de cellulose (FCA) présentent une alternative convaincante, à faible coût : leur microstructure poreuse offre des surfaces spécifiques de 1000-1500 m²/g et des millions de micropores de 1-4 nm, leur donnant une performance d'adsorption supérieure comparée au charbon actif conventionnel.

La nanotechnologie a accéléré l'intégration de nanomatériaux inorganiques avec des substrats carbone, débloquant des propriétés synergiques qui surpassent chaque composant seul. Par exemple, des FC décorées de nanoparticules d'argent (AgNP) ont démontré une augmentation quadruple de la photoréduction photocatalytique du CO₂ en CH₃OH, attribuée à une adsorption de CO₂ et un transfert d'électrons améliorés. De même, des nanoparticules de CoSe₂ déposées sur des FC tridimensionnelles ont donné des électrocatalyseurs hautement actifs et stables pour l'évolution d'hydrogène en milieu acide. Cependant, la plupart des nanomatériaux inorganiques sont sphériques ; des structures anisotropes telles que nanofils, nanosheets et points quantiques sont de plus en plus recherchées car elles peuvent impartir une conductivité directionnelle, une résonance de plasmon de surface et un verrouillage mécanique.

Dans ce travail, nous avons conçu des FCA « épaissement surcroît » par des nanopoils d'Ag via une voie d'auto-assemblage suivie de recuit thermique rapide. Des AgNP modifiées HBPAA ont été synthétisées par réduction hydrothermale sur un template HBPAA. Agissant comme une colle moléculaire, le HBPAA a permis aux AgNP chargées positivement de s'auto-assembler uniformément sur la viscose cellulose par attraction électrostatique et liaison hydrogène. Les VF revêtues d'AgNP résultantes ont ensuite été soumises à pré-oxydation et carbonisation dans un four ouvert scellé par des flammes haute température à l'entrée et la sortie. Le refroidissement rapide à la sortie a déclenché l'extrusion capillaire de l'Ag fondu depuis les pores des FCA, qui s'est solidifié en nanofils protrudant de la surface de la fibre.

Méthodes

Préparation des FCA à nanopoils d'Ag

Nous avons d'abord synthétisé des AgNP coiffées HBPAA comme décrit dans notre travail précédent. Des fibres de viscose (2 g) ont alors été immergées dans une solution d'AgNP à 4000 mg/L à 98 °C pendant 3 h pour permettre l'auto-assemblage sur la surface de la fibre. Après séchage au four et stockage dans l'obscurité, les fibres revêtues ont été soumises à un traitement thermique en deux étapes : (i) oxydation à 350 °C dans une atmosphère de vapeur d'eau pour former des polymères de type échelle, et (ii) carbonisation jusqu'à 850 °C sous gaz inerte pour produire du carbone turbostratique. Le four était délibérément ouvert et scellé par flamme aux deux extrémités, permettant aux fibres de sortir de la chambre à température ambiante, une étape clé pour la contraction rapide qui entraîne l'extrusion d'Ag liquide.

Mesures

La morphologie et la distribution élémentaire ont été examinées par MEB-FE (S-4200, Hitachi) équipée EDS. La chimie de surface a été sondée par XPS (ESCALAB 250 XI, Thermo Scientific) et DRX (D8 ADVANCE, Bruker). Le comportement thermique a été évalué via ATG (TG 209 F3 Tarsus, Netzsch). L'activité antimicrobienne contre E. coli et S. aureus a été évaluée par la méthode du flacon agité (GB/T 20944.3-2008).

Résultats et Discussion

La stratégie d'auto-assemblage et recuit thermique rapide a produit des FCA densément couvertes de nanopoils d'Ag, comme illustré en Fig. 1. Les images MEB (Fig. 2) révèlent que les VF pur possédaient des rainures longitudinales lisses, tandis que les VF revêtus d'AgNP affichaient des particules blanches brillantes monodispersées (3-80 nm) qui retenaient la morphologie des rainures. Après carbonisation, les fibres devenaient duveteuses et portaient des nanofils de forme irrégulière (~50 nm) protrudant de la surface, confirmant que les AgNP s'étaient transformées en nanofils.

La MEB-FE en coupe transversale (Fig. 3) montrait que les FCA pur et les FCA à nanopoils d'Ag contenaient tous deux des pores abondants. Dans les secondes, les nanofils d'Ag semblaient croître depuis les bouches des pores, avec une extrémité ancrant dans le pore, suggérant un mécanisme de croissance piloté par l'infiltration capillaire d'Ag fondu dans les pores et la solidification rapide au refroidissement. Le point de fusion des AgNP de 10-20 nm (~129 °C) permet la liquéfaction à la température de carbonisation (850 °C), et le design de four scellé par flamme haute température assure un trempage rapide, qui presse l'Ag fondu hors des pores sous forme de nanofils.

L'analyse EDS (Fig. 4) a détecté de forts signaux Ag en plus de C et O, confirmant la présence d'argent. Le DRX (Fig. 6) a affiché des pics caractéristiques de l'argent cubique à faces centrées (111, 200, 220, 311) dans les FCA à nanopoils d'Ag, indiquant que l'argent restait métallique après le traitement haute température. La XPS (Fig. 7) a révélé davantage des énergies de liaison Ag 3d de 373,9 eV et 367,9 eV, cohérentes avec l'Ag métallique. Le rapport C/O augmentait après carbonisation, reflétant l'élimination des groupes contenant oxygène et la génération de réducteurs CO/CH₄ qui ont probablement réduit l'Ag oxydé en forme métallique.

L'analyse thermogravimétrique (Fig. 8) a démontré que les FCA à nanopoils d'Ag retenaient une excellente stabilité thermique, avec seulement 8,4 % de perte de masse jusqu'à 1000 °C. La présence de HBPAA sur la surface de la fibre agissait comme une coquille protectrice, retardant la décomposition pendant l'oxydation. La performance thermique des FCA à nanopoils d'Ag correspondait à celle des FCA pur, confirmant que le revêtement Ag ne compromettait pas l'intégrité structurelle.

Les tests antibactériens (Tableau 1) ont montré que les FCA à nanopoils d'Ag atteignaient >99 % d'inhibition contre E. coli et S. aureus, même après 30 lavages ultrasoniques. L'activité durable est attribuée au verrouillage mécanique fort entre les nanopoils d'Ag et la matrice FCA poreuse, prévenant la lixiviation des nanoparticules d'Ag.

Conclusions

En résumé, nous avons développé une méthode scalable pour fabriquer des fibres de carbone activé revêtues de nanopoils d'Ag en combinant l'auto-assemblage médité par HBPAA avec un four à refroidissement rapide ouvert. Les fibres résultantes exhibent un réseau dense de nanofils d'argent métalliques fermement ancrés dans la matrice de carbone poreux, conférant au matériau une stabilité thermique exceptionnelle et une performance antibactérienne remarquable à long terme. Cette approche fournit une plateforme versatile pour intégrer des nanostructures métalliques anisotropes sur des fibres de carbone activé pour applications allant de la filtration aux textiles antimicrobiens.