Synthèse et caractérisation d’un nanocomposite g-C3N5/CuS/AgNPs en tant que photocatalyseur en schéma Z pour la dégradation efficace du parathion méthylique

Pourquoi ce nouveau matériau de purification d’eau est important

Le parathion méthylique est un pesticide puissant qui a contribué à protéger les cultures, mais il présente un inconvénient sérieux : même de faibles traces dans l’eau peuvent nuire aux personnes et à la faune, en endommageant le système nerveux, le foie et les reins. Il se dégrade aussi en d’autres composés toxiques. Cette étude présente un nouveau matériau activé par la lumière — un mélange particulier de nanoparticules — capable de décomposer très rapidement le parathion méthylique dans l’eau sous lumière visible, offrant une piste prometteuse pour rendre l’eau potable et les rivières proches des exploitations agricoles plus sûres.

Un produit chimique tenace des exploitations agricoles dans nos eaux

Le parathion méthylique appartient à une famille de pesticides qui perturbent le système nerveux. Bien qu’il soit peu soluble dans l’eau, il peut atteindre les étangs, les rivières et les nappes phréatiques via le ruissellement des champs. Une fois présent, il est difficile à éliminer et peut provoquer des problèmes de santé allant de maux de tête et nausées à des atteintes organiques sévères. Les méthodes traditionnelles de dépollution — comme l’utilisation de microbes, la filtration par membranes ou l’ajout de produits chimiques — sont souvent longues, génèrent de nouveaux résidus ou sont trop onéreuses à grande échelle. Les chercheurs cherchent donc des procédés capables de détruire directement ces molécules, plutôt que de simplement les déplacer.

Utiliser la lumière pour piloter la chimie de nettoyage

Une option intéressante est la photocatalyse, où l’énergie lumineuse active un matériau solide pour fragmenter les molécules polluantes. Lorsque la lumière frappe un solide approprié, elle peut générer des charges mobiles — des électrons négatifs et des « trous » positifs. Si ces charges atteignent la surface avant de se recombiner, elles peuvent réagir avec l’oxygène et l’eau pour former des espèces agressives de courte durée qui attaquent les polluants. Le défi consiste à concevoir un matériau qui absorbe efficacement la lumière visible, sépare rapidement les charges et offre une grande surface de réaction.

Construire une nano-éponge tripartite pour la lumière

Dans ce travail, les chercheurs ont construit un nanocomposite tripartite, ou « ternaire », en combinant : (1) le g-C3N5, un solide à base de carbone et d’azote qui absorbe la lumière visible ; (2) des particules de sulfure de cuivre (CuS) en forme de fleurs, offrant une grande surface et une bonne mobilité de charge ; et (3) de minuscules nanoparticules d’argent qui facilitent le transport des électrons et renforcent l’absorption lumineuse. Ils ont d’abord préparé le g-C3N5 à partir d’un composé courant de laboratoire, puis ont synthétisé le CuS avec une structure en pétales, et enfin ont décoré le mélange avec de l’argent à l’aide d’un agent réducteur. Des microscopes électroniques à haute résolution ont montré le g-C3N5 sous forme de plaques, le CuS sous forme de « fleurs » agglomérées, et l’argent sous forme de petites sphères ancrées à la surface. Les mesures de surface ont révélé que le matériau combiné disposait d’une aire réactive bien plus grande que les composants individuels, et les tests optiques ont montré que sa bande d’énergie d’absorption lumineuse était réduite à environ 1,5 eV, ce qui signifie qu’il peut exploiter très efficacement la lumière visible.

Quelle est l’efficacité du nouveau matériau pour détruire le parathion méthylique

L’équipe a ensuite testé l’aptitude de ce nanocomposite à éliminer le parathion méthylique de l’eau sous lumière visible. La lumière seule a éliminé seulement environ 2 % du pesticide en une heure, et le matériau dans l’obscurité n’enlevait presque rien — montrant que la lumière et le catalyseur sont tous deux nécessaires. En revanche, le matériau complet à trois composants a dégradé environ 95 % du parathion méthylique en une heure sous lumière visible à un pH légèrement acide de 6 et avec une dose de catalyseur modeste. Des essais réalisés à différents pH, quantités de catalyseur et concentrations initiales de pesticide ont montré que la performance était maximale à pH 6 et à une concentration intermédiaire de catalyseur ; un excès de matériau entraînait une agglomération et réduisait l’efficacité. Même lorsque la concentration initiale de pesticide augmentait, le matériau en éliminait toujours la majorité, bien que des concentrations très élevées ralentissent le processus car les sites actifs des particules se retrouvent saturés.

Comprendre comment les particules accomplissent la tâche

Pour élucider la chimie du nettoyage, les chercheurs ont ajouté des « piégeurs » chimiques qui bloquent sélectivement certaines espèces réactives. Lorsque les radicaux hydroxyle ou les espèces superoxyde ont été supprimés, la dégradation du parathion méthylique a chuté fortement, révélant que ces formes d’oxygène très réactives accomplissent la majeure partie du travail destructeur. Les mesures d’émission lumineuse et de résistance électrique ont montré que le matériau tripartite maintient les électrons et les trous séparés plus longtemps que chacun de ses composants isolés, permettant à davantage de ces radicaux de se former. Les auteurs proposent un mécanisme en « schéma Z » : sous lumière, électrons et trous se déplacent le long d’un « zigzag » énergétique entre le g-C3N5, le CuS et l’argent, se recombinant de façon contrôlée de sorte qu’il reste des trous fortement oxydants sur le g-C3N5 et des électrons fortement réducteurs sur le CuS. Ceux-ci génèrent ensuite les radicaux qui attaquent et fragmentent les molécules de pesticide en produits plus petits et moins nocifs.

Ce que cela pourrait signifier pour une eau plus propre

D’un point de vue général, cette étude montre qu’il est possible de concevoir de petites particules robustes qui agissent comme des nettoyeurs solaires pour des pesticides tenaces. Le nouveau nanocomposite g-C3N5/CuS/Ag a éliminé presque tout le parathion méthylique de l’eau en une heure sous lumière visible et a conservé de bonnes performances sur plusieurs cycles de réutilisation, suggérant qu’il pourrait être un outil pratique pour traiter les eaux usées agricoles. Parce qu’il est relativement simple et peu coûteux à fabriquer, et qu’il utilise la lumière plutôt que de grandes quantités de produits chimiques additionnels, l’approche pourrait contribuer à protéger l’eau potable et les écosystèmes dans les zones agricoles si elle peut être mise à l’échelle et intégrée aux systèmes de traitement.

Citation: Teymourinia, H., Alshamsi, H.A., Gharagozlou, M. et al. Synthesis and characterization of g-C₃N₅/CuS/AgNPs nanocomposite as a Z-scheme photocatalyst for efficient methyl parathion degradation. Sci Rep 16, 6619 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35254-6

Mots-clés: parathion méthylique, photocatalyseur, nanocomposite, purification de l’eau, dégradation des pesticides