Design and construction of CuS functionalized superhydrophobic cellulose paper with effective oil/water separation, and photothermally boosted antimicrobial and anti-/deicing performances

Résumé technique : Conception et construction de papier de cellulose superhydrophobe fonctionnalisé au CuS

Énoncé du problème
L'article traite des menaces environnementales croissantes posées par les déversements d'hydrocarbures fréquents et les rejets incontrôlés d'eaux usées huileuses, qui mettent en danger les écosystèmes et la santé humaine. Bien que des méthodes de traitement conventionnelles (ex. : écrémage, bioremédiation) existent, elles souffrent souvent d'une complexité opérationnelle, d'une demande énergétique élevée et d'une extensibilité limitée. Bien que les surfaces superhydrophobes (SSH) offrent une alternative prometteuse pour la séparation huile/eau, leur application pratique est fréquemment entravée par une stabilité mécanique insuffisante, des coûts de fabrication élevés et la tendance des nanoparticules fonctionnelles (telles que les agents photothermiques) à se détacher des substrats. De plus, les matériaux existants manquent souvent de fonctionnalités intégrées telles que l'activité antimicrobienne pilotée par le photothermique et les capacités anti-gel/dégivrage, qui sont cruciales pour le fonctionnement dans des environnements difficiles et à basse température.

Méthodologie
Pour répondre à ces défis, les auteurs ont conçu et fabriqué un papier de cellulose (PC) superhydrophobe multifonctionnel fonctionnalisé avec du sulfure de cuivre (CuS). Le processus de fabrication a impliqué une stratégie de modification en plusieurs étapes :

1. Préparation du substrat : Un papier de cellulose (PC) commercial a servi de base écologique et renouvelable.
2. Revêtement PDA : Pour résoudre le problème du faible contact interfacial entre le CuS et la cellulose, un revêtement de polydopamine (PDA) a été appliqué via la polymérisation oxydative spontanée de la dopamine. Cela a agi comme une couche d'adhésion robuste inspirée des protéines de moules.
3. Dépôt de CuS : Des nanoparticules de CuS ont été synthétisées via une méthode hydrothermale et ont été ensuite revêtues in situ sur le papier modifié par la PDA. La couche de PDA a facilité une forte adhérence entre les particules de CuS et les fibres de cellulose.
4. Modification hydrophobe : Le composite a été immergé dans une solution d'octadécylamine (ODA). Les hydrocarbures à longue chaîne de l'ODA ont abaissé l'énergie de surface, complétant la transition vers un état superhydrophobe.

Le matériau résultant, désigné sous le nom de CP/PDA/CuS/ODA, a été caractérisé par SEM, XRD, FTIR et mesures d'angle de contact. Ses performances ont été évaluées par des tests de séparation huile/eau, des évaluations de durabilité (mécanique, chimique, thermique et UV), des tests d'antifouling/auto-nettoyage et des évaluations photothermiques (incluant les capacités antimicrobiennes et anti-/dégivrage).

Principales contributions et résultats

• Superhydrophobie et superoléophilie : Le papier modifié a présenté un angle de contact de l'eau (WCA) de 156,4° et un angle de contact de l'huile (OCA) virtuellement nul. Cette mouillabilité est attribuée à l'effet synergique de la rugosité micro/nano hiérarchique fournie par les amas PDA/CuS et à la faible énergie de surface du revêtement ODA.
• Séparation Huile/Eau : Le matériau a démontré une séparation efficace par gravité continue de divers mélanges huile/eau (incluant le cyclohexane, l'éther de pétrole, le n-hexane, le dichlorométhane, le chloroforme et le tétrachlorure de carbone).
  • Efficacité : Les efficacités de séparation ont dépassé 99,35 % pour tous les mélanges testés.
  • Flux : Des flux de perméation élevés ont été atteints (allant de ~8443 à ~10034 L m⁻² h⁻¹) sans pression externe.
  • Capacité d'absorption : Le papier a montré de hautes capacités d'absorption d'huile (7,68–21,92 g/g) pour divers solvants organiques et huiles.
  • Réutilisabilité : La performance de séparation est restée stable sur 10 à 20 cycles.
• Durabilité : Le matériau a fait preuve d'une robustesse exceptionnelle, maintenant sa superhydrophobie (WCA > 150°) après :
  • 100 cycles de pelage avec ruban adhésif.
  • 100 cycles de pliage.
  • 10 cycles d'abrasion au papier de verre.
  • Exposition à des solutions acides (pH 1) et alcalines (pH 12), à l'eau salée (jusqu'à 5 % en poids de NaCl), à l'irradiation UV (12 h) et au traitement thermique (jusqu'à 100 °C).
  • Stockage à long terme (5 semaines) dans des conditions ambiantes.
• Antifouling et Auto-nettoyage : La surface a résisté à la contamination par divers polluants liquides (jus de raisin, cola, solutions de colorants) et contaminants solides (poudre de craie). Les gouttelettes d'eau ont roulé sur la surface, emportant la saleté, démontrant un auto-nettoyage efficace.
• Performance Photothermique : Tirant parti de la capacité de conversion photothermique du CuS et de la PDA :
  • Sous une irradiation solaire de 1,0 kW m⁻², la température de surface a atteint environ 74,3–78,6 °C en 60 secondes.
  • Le matériau a montré une excellente stabilité photothermique sur 10 cycles d'allumage/extinction de la lumière.
• Activité Antimicrobienne Photothermique : Sous irradiation lumineuse, le matériau a inactivé efficacement les bactéries Gram-positives (S. aureus) et Gram-négatives (E. coli), tandis que le matériau dans l'obscurité ne montrait aucun effet bactéricide significatif.
• Anti-gel et Dégivrage :
  • Anti-gel : L'irradiation solaire a prolongé le temps de congélation des gouttelettes d'eau d'environ 124,7 % par rapport aux conditions sans irradiation.
  • Dégivrage : Le temps requis pour faire fondre la glace préformée a été réduit d'environ 80,8 % sous irradiation solaire par rapport aux conditions d'obscurité.

Signification
L'article affirme que le papier de cellulose superhydrophobe fonctionnalisé au CuS fabriqué offre une plateforme polyvalente et supérieure pour la remédiation environnementale. En intégrant une séparation huile/eau efficace avec des fonctionnalités antimicrobiennes et anti-/dégivrage boostées par le photothermique, le matériau répond aux limitations critiques des matériaux superhydrophobes actuels, spécifiquement concernant la durabilité et les performances dans des environnements à basse température ou contaminés. Les auteurs postulent que cette conception offre une nouvelle voie pour réaliser une absorption d'huile et une purification de l'eau efficaces même dans des conditions difficiles, ce qui la rend très prometteuse pour des applications industrielles réelles dans la remédiation des déversements d'hydrocarbures et le traitement de l'eau. L'utilisation de cellulose abondante et renouvelable ainsi que de composants peu coûteux et non toxiques soutient davantage son potentiel de mise en œuvre à grande échelle.