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La croissance du graphène à basse température ouvre la voie à un recyclage durable des ressources

par l'Université de Tohoku

Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan

Notes de la rédaction

The GIST

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Des molécules d'acétylène sont converties en graphène sur des nanoparticules d'oxyde de cérium par dépôt chimique en phase vapeur à basse température. Crédit : Mengxuan Zhang et al.

Le graphène est un matériau exceptionnellement utile pour la fabrication de batteries, de catalyseurs et de dispositifs électroniques. Cependant, sa production nécessite généralement des températures atteignant 900 °C (1 652 °F), ce qui limite l'efficacité énergétique et rend le contrôle de sa structure difficile. Afin de rendre la production de graphène plus pratique, une étude récente a permis de surmonter cet obstacle thermique de longue date.

Dans une étude publiée dans le Journal of the American Chemical Society, une équipe de recherche conjointe de l'Université de Tohoku et de l'Université Queen Mary de Londres a réussi à synthétiser des matériaux à base de graphène à des températures aussi basses que 300 °C (572 °F). Ils y sont parvenus en utilisant de l'acétylène gazeux sur une surface d'oxyde de cérium (CeO₂).

Comment l'oxyde de cérium modifie la réaction

La clé réside dans l'interaction entre l'acétylène et l'oxyde de cérium. Ce dernier formant facilement des lacunes d'oxygène à sa surface, l'acétylène commence à se décomposer dès 113 °C (235 °F). Lorsque la température atteint 300 °C (572 °F), l'acétylène extrait l'oxygène du catalyseur, générant ainsi des lacunes d'oxygène supplémentaires qui servent de sites catalytiques actifs pour la croissance du graphène.

« De manière classique, contrôler la structure des matériaux à base de graphène lors du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à haute température est complexe car le processus est trop rapide », explique Takeharu Yoshii, professeur associé et co-auteur principal de l'étude à l'Université de Tohoku.

« En utilisant de l'acétylène, un composé très réactif, et en l'associant à de l'oxyde de cérium, nous avons mis au point un procédé de croissance à basse température permettant un contrôle structurel bien plus précis.»

La température détermine le matériau final.

En ajustant simplement la température de CVD, l'équipe a obtenu un contrôle sans précédent sur la forme finale du matériau. À 300 °C (572 °F), elle a produit des points quantiques de graphène à fluorescence bleue.

En augmentant la température à 450 °C (842 °F), on a obtenu du graphène agrégé, tandis qu'à 600 °C (1 112 °F), on a obtenu du graphène poreux à grande surface spécifique. Cette méthode ouvre de nouvelles perspectives pour le recyclage durable des ressources, l'acétylène pouvant être produit à partir de gaz résiduaires industriels, de biomasse et de plastiques recyclés.

« Nos résultats offrent un modèle de conception pour une production de carbone économe en énergie et respectueuse de l'environnement », explique le professeur Hirotomo Nishihara, co-auteur principal de l'étude et chercheur à l'Institut de recherche avancée sur les matériaux (WPI-AIMR). « Au lieu d'utiliser des hydrocarbures excédentaires ou des ressources carbonées de faible qualité comme combustible, nous pouvons désormais les valoriser en matériaux fonctionnels à haute valeur ajoutée grâce au recyclage. »

Vers un recyclage pratique

Cette étude lève le voile sur le principal obstacle à la production de graphène par les hautes températures. En ajustant simplement la température de réaction, les chercheurs ont démontré une maîtrise précise du procédé, permettant de créer des matériaux carbonés très différents, applicables à diverses technologies.

L'équipe de recherche prévoit de poursuivre ses essais afin d'étendre l'utilité et la capacité de production à grande échelle de cette technologie et de se rapprocher d'applications concrètes.

Détails de la publication

Mengxuan Zhang et al., « Catalyse par défauts pour la formation à basse température de matériaux à base de graphène », Journal of the American Chemical Society (2026). DOI : 10.1021/jacs.5c20150

Informations sur la revue : Journal of the 

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RESUME

La croissance du graphène à basse température ouvre la voie à un recyclage durable des ressources. L'utilisation d'acétylène sur du CeO2 générant des lacunes en oxygène a permis la synthèse de matériaux à base de graphène à 300 °C, une température bien inférieure à celles habituellement requises pour le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). La morphologie du produit est contrôlée par la température : points quantiques de graphène à 300 °C, graphène agrégé à 450 °C et graphène poreux à 600 °C. Ce procédé pourrait permettre de valoriser des sources de carbone issues de déchets en les transformant en matériaux fonctionnels.

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COMMENTAIRES

J ai vecu une période  où on savait pas réellement  ce que le terme ,le concept et les proprietes du grahène  repprésentaient  ....

Le graphène a été isolé et identifié de manière définitive en 2004 par les physiciens Andre Geim et Konstantin Novoselov à l'Université de Manchester. Cette découverte majeure leur a valu le prix Nobel de physique en 2010.

Je dois rajouter  que lorsqu  il s agissit de parler  pour une utilisation industrielle   les prix proposés  étaient faramineux !

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Et tout le monde se posait la question :mais 

pourqoi le graphene reste -t-il si cher ????

Le graphène est cher principalement en raison de la difficulté à le produire sous une forme pure, parfaite et à grande échelle industrielle, malgré le fait qu'il soit composé de carbone, un élément abondant et bon marché