Préparation de Graphène par Ultrasons

graphène

Le graphite est composé de feuilles bidimensionnelles d'atomes de carbone hexagonaux hybridées sp2 - le graphène - qui sont régulièrement empilés. Les feuilles minces en atomes du graphène, qui forment du graphite par des interactions sans liaison, se caractérisent par une surface extrêmement plus grande. Le graphène montre une force et une fermeté extraordinaires le long de ses niveaux basaux qui atteignent avec environ 1020 GPa presque la valeur de force du diamant.
Le graphène est l'élément structural de base de certains allotropes, y compris, outre le graphite, les nanotubes de carbone et les fullerènes. Utilisé comme additif, le graphène peut améliorer considérablement les propriétés électriques, physiques, mécaniques et barrières des composites polymères à très faibles charges. (Xu, Suslick 2011)
Par ses propriétés, le graphène est un matériau superlatif et donc prometteur pour les industries qui produisent des composites, des revêtements ou de la microélectronique. Geim (2009) décrit le graphène comme un supermatière de façon concise dans le paragraphe suivant :
"C'est la matière la plus mince de l'univers et la plus forte jamais mesurée. Ses porteurs de charge présentent une mobilité intrinsèque géante, ont la masse effective la plus faible (elle est nulle) et peuvent parcourir de longues distances micrométriques sans se disperser à température ambiante. Le graphène peut supporter des densités de courant supérieures de 6 ordres à celles du cuivre, présente une conductivité thermique et une rigidité record, est imperméable aux gaz et concilie des qualités aussi contradictoires que la fragilité et la ductilité. Le transport des électrons dans le graphène est décrit par une équation de type Dirac, qui permet d'étudier les phénomènes quantiques relativistes dans une expérience sur banc."
En raison des caractéristiques exceptionnelles de ces matériaux, le graphène est l'un des matériaux les plus prometteurs et se trouve au centre de la recherche sur les nanomatériaux.

Ultrasons de haute puissance

Lors de la sonication de liquides à haute intensité, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), avec des taux dépendant de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume auquel elles ne peuvent plus absorber l'énergie, elles s'effondrent violemment pendant un cycle à haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Pendant l'implosion, de très hautes températures (environ 5.000 K) et pressions (environ 2.000atm) sont atteintes localement. L'implosion de l cavitation La bulle d'air produit également des jets de liquide d'une vitesse allant jusqu'à 280 m/s. (Suslick 1998) La cavitation générée par ultrasons provoque des effets chimiques et physiques qui peuvent être appliqués aux procédés.
Induite par la cavitation sonochimie offre une interaction unique entre l'énergie et la matière, avec des points chauds à l'intérieur des bulles de ~5000 K, des pressions de ~1000 bar, des vitesses de chauffage et de refroidissement de >1010K s-1 ; ces conditions extraordinaires permettent l'accès à une gamme d'espaces de réaction chimique normalement inaccessibles, ce qui permet la synthèse d'une grande variété de matériaux nanostructurés inhabituels. (Bang 2010)

Préparation du graphène par ultrasons

Les caractéristiques extraordinaires du graphite étant connues, plusieurs méthodes ont été mises au point pour sa préparation. Outre la production chimique de graphènes à partir d'oxyde de graphène dans des procédés multi-étapes, pour lesquels des agents oxydants et réducteurs très puissants sont nécessaires. De plus, le graphène préparé dans ces conditions chimiques difficiles contient souvent un grand nombre de défauts, même après réduction, comparativement aux graphènes obtenus par d'autres méthodes. Cependant, l'échographie est une alternative éprouvée pour produire du graphène de haute qualité, même en grande quantité. Les chercheurs ont développé des méthodes légèrement différentes en utilisant les ultrasons, mais en général la production de graphène est un processus simple en une seule étape.
Donner un exemple d'un itinéraire spécifique de production de graphène : Le graphite est ajouté dans un mélange d'acide organique dilué, d'alcool et d'eau, puis le mélange est exposé à un rayonnement ultrasonique. L'acide fonctionne comme un “coin de molécule” qui sépare les feuilles de graphène du graphite parent. Ce procédé simple permet d'obtenir une grande quantité de graphène de haute qualité, non endommagé et dispersé dans l'eau. (An et al. 2010)

Exfoliation directe au graphène

Les ultrasons permettent la préparation des graphènes dans les solvants organiques, les solutions tensioactives/eau ou les liquides ioniques. Cela signifie que l'utilisation d'agents oxydants ou réducteurs puissants peut être évitée. Stankovich et ses collaborateurs (2007) ont produit du graphène par exfoliation sous ultrasonication.
Les images AFM d'oxyde de graphène exfolié par traitement ultrasonique à des concentrations de 1 mg/mL dans l'eau ont toujours révélé la présence de feuilles d'épaisseur uniforme (~1 nm ; l'exemple est montré à la figure 1 ci-dessous). Ces échantillons bien exfoliés d'oxyde de graphène ne contenaient pas de feuilles plus épaisses ou plus minces que 1 nm, ce qui permet de conclure qu'une exfoliation complète de l'oxyde de graphène jusqu'aux feuilles individuelles d'oxyde de graphène a effectivement été réalisée dans ces conditions. (Stankovich et al. 2007)

Préparation des feuilles de graphène

Stengl et al. ont démontré le succès de la préparation de feuilles de graphène pur en grandes quantités lors de la production de nanocomposite de graphène non stoechiométrique TiO2 par hydrolyse thermique de suspension avec des nanosheets de graphène et du complexe titania peroxo. Les nano-feuilles de graphène pur ont été produites à partir de graphite naturel à l'aide d'un champ de cavitation de haute intensité généré par le processeur à ultrasons de Hielscher. UIP1000hd dans un réacteur à ultrasons haute pression à 5 bar. Les feuilles de graphène obtenues, avec une surface spécifique élevée et des propriétés électroniques uniques, peuvent être utilisées comme un bon support pour le TiO2 pour améliorer l'activité photocatalytique. Le groupe de recherche affirme que la qualité du graphène préparé par ultrasons est beaucoup plus élevée que celle du graphène obtenu par la méthode de Hummer, où le graphite est exfolié et oxydé. Comme les conditions physiques dans le réacteur à ultrasons peuvent être contrôlées avec précision et en supposant que la concentration de graphène comme dopant variera de l'ordre de 1 – 00,001%, la production de graphène dans un système en continu sur échelle commerciale est possible.

Préparation par traitement ultrasonique de l'oxyde de graphène

Oh et al (2010) ont montré une voie de préparation utilisant l'irradiation ultrasonique pour produire des couches d'oxyde de graphène (GO). Ils ont donc mis en suspension vingt-cinq milligrammes de poudre d'oxyde de graphène dans 200 ml d'eau désionisée. En remuant, ils ont obtenu une suspension brune inhomogène. Les suspensions obtenues ont été soniquées (30 min, 1,3 × 105J), et après séchage (à 373 K) l'oxyde de graphène traité par ultrasons a été produit. Une spectroscopie FTIR a montré que le traitement ultrasonique n'a pas modifié les groupes fonctionnels de l'oxyde de graphène.

Fonctionnalisation des feuilles de graphène

Xu et Suslick (2011) décrivent une méthode pratique en une seule étape pour la préparation du graphite fonctionnalisé de polystyrène. Dans leur étude, ils ont utilisé des paillettes de graphite et du styrène comme matière première de base. En soniquant les paillettes de graphite dans du styrène (monomère réactif), l'irradiation par ultrasons a entraîné l'exfoliation mécanochimique des paillettes de graphite en feuilles de graphène monocouche et multicouche. Simultanément, la fonctionnalisation des feuilles de graphène avec les chaînes de polystyrène a été réalisée.
Le même processus de fonctionnalisation peut être réalisé avec d'autres monomères vinyliques pour les composites à base de graphène.

Préparation de nanorubans

Le groupe de recherche de Hongjie Dai et ses collègues de l'Université de Stanford ont trouvé une technique pour préparer des nanoribbons. Les rubans de graphène sont de minces bandes de graphène qui peuvent avoir des caractéristiques encore plus utiles que les feuilles de graphène. Pour des largeurs d'environ 10 nm ou moins, le comportement des rubans de graphène est similaire à celui d'un semi-conducteur car les électrons sont forcés de se déplacer dans le sens de la longueur. Ainsi, il pourrait être intéressant d'utiliser des nanorubans avec des fonctions semi-conductrices dans l'électronique (par exemple, pour des puces informatiques plus petites et plus rapides).
La préparation des nanorubans de graphène par Dai et al. repose sur deux étapes : d'une part, ils ont détaché les couches de graphène du graphite par un traitement thermique de 1000ºC pendant une minute à 3% d'hydrogène dans du gaz argon. Ensuite, le graphène a été décomposé en bandes par ultrasonisation. Les nanorubans obtenus par cette technique sont caractérisés par des nanorubans beaucoup plus " lisses ".’ que celles réalisées par les moyens lithographiques conventionnels. (Jiao et al. 2009)

Préparation de nano-rouleaux de carbone

Les nanotubes de carbone sont similaires aux nanotubes de carbone à parois multiples. La différence par rapport aux MWCNTs est l'ouverture des pointes et l'accessibilité totale des surfaces internes aux autres molécules. Ils peuvent être synthétisés par voie chimique humide en intercalant du graphite avec du potassium, en exfoliant dans l'eau et en soniquant la suspension colloïdale. (cf. Viculis et al. 2003) L'ultrasonication aide à faire défiler les monocouches de graphène en nanoscouches de carbone (voir fig. 3). Un rendement de conversion élevé de 80% a été atteint, ce qui rend la production de nanoscopes intéressante pour des applications commerciales.

Dispersions de graphène

La qualité de dispersion du graphène et de l'oxyde de graphène est extrêmement importante pour exploiter pleinement le potentiel du graphène avec ses caractéristiques spécifiques. Si le graphène n'est pas dispersé dans des conditions contrôlées, la polydispersité de la dispersion du graphène peut conduire à un comportement imprévisible ou non idéal une fois qu'il est incorporé dans les dispositifs puisque les propriétés du graphène varient en fonction de ses paramètres structurels. La sonication est un traitement éprouvé pour affaiblir les forces entre les couches et permet un contrôle précis des paramètres de traitement importants.
"Pour l'oxyde de graphène (GO), qui est généralement exfolié sous forme de feuilles monocouche, l'un des principaux problèmes de polydispersité provient des variations de la surface latérale des paillettes. Il a été démontré que la taille latérale moyenne de GO peut être déplacée de 400 nm à 20 μm en changeant le matériau de départ en graphite et les conditions de sonication." (Green et al. 2010)
Les ultrasons Dispersion de graphène donnant des boues fines et même colloïdales a été démontrée dans diverses autres études. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et ses collaborateurs (2010) ont montré que l'utilisation des ultrasons permet d'obtenir une dispersion de graphène stable avec une concentration élevée de 1 mg-mL-1 et des feuilles de graphène relativement pur, et que les feuilles de graphène telles que préparées présentent une conductivité électrique élevée de 712 S-m⁻¹. Les résultats de l'examen des spectres infrarouges transformés de Fourier et des spectres Raman ont indiqué que la méthode de préparation par ultrasons a moins endommagé les structures chimiques et cristallines du graphène.

Applications possibles

Applications biologiques : L'étude "Synthesis of Graphene-Gold Nanocomposites via Sonochemical Reduction" de Park et al (2011), dans laquelle un nanocomposite à partir de nanoparticules d'oxyde de graphène réduit - or (Au) a été synthétisé en réduisant simultanément les ions or et en déposant simultanément des nanoparticules d'or à la surface de l'oxyde de graphène réduit, donne un exemple pour la préparation ultrasonique et son utilisation biologique. Pour faciliter la réduction des ions or et la génération de fonctionnalités d'oxygène pour l'ancrage des nanoparticules d'or sur l'oxyde de graphène réduit, l'irradiation par ultrasons a été appliquée au mélange des réactifs. La production de biomolécules modifiées par des peptides liant l'or montre le potentiel de l'irradiation ultrasonique du graphène et des composites de graphène. Par conséquent, l'échographie semble être un outil approprié pour préparer d'autres biomolécules.
Électronique : Le graphène est un matériau très fonctionnel pour le secteur électronique. Grâce à la grande mobilité des porteurs de charge à l'intérieur de la grille du graphène, le graphène est d'un grand intérêt pour le développement de composants électroniques rapides dans la technologie des hautes fréquences.
Capteurs : Le graphène exfolié par ultrasons peut être utilisé pour la production de capteurs conductométriques hautement sensibles et sélectifs (dont la résistance change rapidement). >10 000% en vapeur d'éthanol saturée), et les supercondensateurs à très haute capacité spécifique (120 F/g), densité de puissance (105 kW/kg), et densité énergétique (9,2 Wh/kg). (An et al. 2010)
Alcool : Pour la production d'alcool : Une application secondaire peut être l'utilisation du graphène dans la production d'alcool, là les membranes de graphène peuvent être utilisées pour distiller l'alcool et pour rendre ainsi les boissons alcoolisées plus fortes.
En tant que matériau le plus solide, le plus conducteur de l'électricité et l'un des plus légers et des plus flexibles, le graphène est un matériau prometteur pour les cellules solaires, la catalyse, les écrans transparents et émissifs, les résonateurs micromécaniques, les transistors, comme cathode dans les batteries lithium-air, les détecteurs chimiques ultrasensibles, les revêtements conducteurs ainsi que l'utilisation comme additif dans des composés.