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RÉSUMÉ
Le graphène, isolé en 2004, continue d’attirer une attention soutenue de la part de la communauté scientifique et des industriels. Néanmoins, derrière ce nom se cache une véritable famille de matériaux, dont les membres sont identifiables au travers de mesures spécifiques.
Cet article présente ces différents types de graphène, leurs propriétés et applications, ainsi que les dernières avancées dans leur mode de production et, notamment, l’exfoliation chimique qui permet de lever un certain nombre d’obstacles à son industrialisation, principal enjeu de l’utilisation à grande échelle du graphène.
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Alban CHESNEAU : Président - Carbon Waters, Pessac (France)
INTRODUCTION
Le graphène, nanomatériau isolé initialement en 2004, fait l’objet d’une intense activité en recherche et développement depuis lors. Ce matériau présente des propriétés particulièrement intéressantes ayant des impacts potentiels sur l’ensemble des secteurs industriels, de l’électronique au milieu médical. Néanmoins, son industrialisation est actuellement largement limitée et ne concerne à l’heure actuelle que quelques produits, loin de l’impact qui est attendu.
Comme de nombreux matériaux tels que le silicium, sa capacité à être utilisé dans de multiples cas d’application est directement liée à la mise en place d’un procédé de production adéquat d’une forme de graphène directement utilisable par les industriels. De plus, il est désormais clair qu’il n’existe pas une forme universelle de graphène qui sera une référence pour l’ensemble des secteurs industriels. Une course s’est ainsi engagée, que cela soit au niveau académique, au sein des jeunes entreprises créées ces dernières années ou de grands groupes de Chimie, concernant le développement et l’optimisation de procédés de production.
Étant donné qu’il existe de multiples formes de graphène, chacune ayant ses propres propriétés physicochimiques et domaine d’applications, il est important d’identifier, selon les applications, la forme qui sera à même de répondre aux attentes des acteurs d’un secteur particulier.
Cet article se propose d’établir un lien direct entre les procédés de production et ces différentes formes de graphène. De plus, il présentera le lien entre l’évaluation de la qualité du graphène et plusieurs techniques d’analyses précises possibles, ainsi que les progrès de celles-ci. Enfin, dans un contexte où les nanomatériaux sont considérés avec une certaine méfiance, étant donné que de nombreuses questions subsistent sur leur devenir dans la nature et le corps humain, cet article appréciera les procédés de production du graphène au regard des risques encourus par les opérateurs et utilisateurs, mais en prenant en compte les impacts énergétiques et environnementaux. À ce titre, un procédé novateur, l’exfoliation chimique du graphite, permet d’envisager une réponse globale aux enjeux et limites de la production de graphène.
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Formes de graphène et procédés de production
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2. Propriétés et applications
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Propriétés
Les propriétés essentielles du graphène sont connues depuis bien longtemps, car elles déterminent celles du graphite. Le graphite est un empilement de plans de graphène, avec une rotation de 60° d’un plan par rapport à l’autre (empilement Bernal).
Dans les plans de graphène, chaque atome a une hybridation sp2, qui impose un réseau en nid d’abeille et établit trois liaisons σ avec ses trois plus proches voisins. Le quatrième électron se propage par les bandes π dérivées des orbitales pz perpendiculaires au plan atomique ; c’est ce qui fait du graphène un matériau conducteur. De plus, les différentes analyses en microscopie électronique qui ont été réalisées ont mis en évidence que la structure même de la couche de carbone peut être extrêmement diversifiée, laissant apparaître la présence de défauts avec des groupes fonctionnels, ou encore des vides . Ces défauts peuvent notamment apparaître en fonction des procédés de production de graphène utilisés.
Ainsi, les réactions d’oxydation du graphène, puis de réduction, utilisées pour produire des graphène de type GO ou rGO, induisent la présence de groupes fonctionnels après oxydation, ou encore des absences d’atomes de carbone après l’étape de réduction.
Chaque couche additionnelle de graphène accroît l’absorption optique de l’ordre de 2,3 % sur une vaste gamme de longueur d’onde, des ultraviolets au proche infrarouge, en conséquence de sa structure électronique ...
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Propriétés et applications
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WALLACE (P.R.) - * - . – Phys. Rev. 71, 622.2. Eizenberg, M. & Blakely, J. M. Surf. Sci. 82, p. 228-236 (1947) (1979).
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(2) - NOVOSELOV (K.S.) et al - * - . – Science 306, p. 666-669 (2004).
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(3) - MAINE (E.), SEEGOPAUL (P.) - * - . – Nat. Mater. 15, p. 487-491 (2016).
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(4) - FITZER (E.), KOCHLING (K.-H.), BOEHM (H.P.) et al - Recommended terminology for the description of carbon as a solid. - Pure Appl Chem, 67 : p. 473-506 (1995).
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(5) - HAUGAN (T.), BARNES (P.N.), WHEELER (R.) et al - Addition of nanoparticle dispersions to enhance flux pinning of the YBa2Cu3O7-x superconductor. - Nature, 430 : p. 867-70 (2004).
-
(6) - NAIR (R.R.), BLAKE (P.), GRIGORENKO (A.N.) et al - Fine structure constant defines visual transparency...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Nanotechnologies et emballage alimentaire – Panorama des utilisations et risques associés.
-
Toxicité des nanotubes de carbone envers l'homme et l'environnement.
-
Réflexions juridiques sur l'analyse du cycle de vie des nanomatériaux.
-
Imagerie Raman de matériaux et dispositifs nano/microhétérogènes.
-
...
NORMES
-
Nanotechnologies – Vocabulary – Part 13 : Graphene and related two-dimensional (2D) materials. - ISO/TS 80004-13 - 2017
-
Nanotechnologies – Matrix of properties and measurement techniques for graphene and related two-dimensional (2D) materials. - ISO/TR 19733 - 2019
ANNEXES
WO2005073127 : « Method for dissolving carbon nanotubes and the use thereof ».
WO2009056696 : « Graphene solutions ».
WO2015189335 : « Aqueous and organic suspensions of exfoliated nanocarbon materials, method for making same and uses thereof ».
HAUT DE PAGE2.1 Producteurs de graphène (liste non exhaustive)
Graphenea – producteur de graphène par CVD
Abalonyx – Producteur de RGO
Applied Graphene Materials – Producteur de graphène à partir d’exfoliation mécanique
https://www.appliedgraphenematerials.com
HAUT DE PAGE
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Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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