De nouveaux matériaux à base de graphène

L’engouement général suscité par les applications du graphène dans l’industrie a été freiné par les coûts élevés et les goulots d’étranglement en termes d’évolutivité et de qualité. Diverses méthodologies ont été testées mais soit elles laissent des défauts dans le matériau ainsi obtenu, soit elles n’offrent qu’un rendement limité. Il existe donc un besoin urgent de produire du graphène de haute qualité à grande échelle avec de nouvelles fonctionnalités.

Le Work Package intitulé Functional Foams and Coatings, dirigé par le professeur Xinliang Feng de l’Université technique de Dresde en Allemagne, porte sur le traitement chimique et les applications fonctionnelles du graphène et des matériaux apparentés au graphène (GRM). « Notre objectif consiste à créer des structures poreuses telles que des mousses et des membranes, principalement pour la filtration, ainsi que des couches minces fonctionnelles pour diverses applications  », explique le D^r Martin Lohe, responsable du groupe Innovation et industrie à l’Université de Dresde.

Faire passer la production de graphène au niveau supérieur

Les chercheurs ont développé avec succès un procédé de production de graphène en laboratoire basé sur l’exfoliation électrochimique, qui génère un graphène de haute qualité avec un rendement considérablement amélioré. Ce procédé fait usage d’un électrolyte et d’un courant électrique qui entraînent une expansion structurelle en quelques minutes, ou quelques heures, dans des conditions normales. L’exfoliation électrochimique est également respectueuse de l’environnement et peut être adaptée aux ressources naturelles de carbone.

Le plus gros avantage de cette méthode réside dans le fait qu’il soit possible de produire du graphène avec des propriétés ajustables, simplement en changeant le matériau de départ et les conditions dans lesquelles se déroule le processus. Cela signifie que le graphène peut être fabriqué sur mesure, en fonction de l’application à laquelle il est destiné.

Les scientifiques ont dû surmonter certains obstacles, essentiellement liés à la tendance des couches graphène de haute qualité à s’empiler ensemble. Pour résoudre ce problème, ils ont utilisé des agents fonctionnalisants qui ont permis d’obtenir du graphène qui était à la fois hautement conducteur et dispersable dans l’eau. Dans le même temps, cette approche a permis d’augmenter le rendement et la stabilité des matériaux.

De nouvelles applications pour le graphène

La fonctionnalisation du graphène le rend approprié pour un large éventail d’applications telles que la photocatalyse intérieure ou extérieure, la désalinisation et la purification, le stockage d’énergie ainsi que les capteurs chimiques. Les partenaires du Work Package intitulé Functional Foams and Coatings ont produit des encres à base de graphène utilisables dans des capteurs et des dispositifs de stockage d’énergie entièrement imprimés.

Parmi les nouvelles applications des GRM du Graphene Flagship figurent des stratégies de purification de l’eau telles que la filtration et la désalinisation. Cette dernière offre des perspectives prometteuses pour une production durable et économiquement et énergétiquement rentable d’eau potable à partir d’eau saumâtre et d’eau de mer. Les GRM conviennent également à une utilisation dans des systèmes catalytiques pour la production d’hydrogène, et peuvent être employés sous forme de mousses à des fins d’éclairage, ainsi que comme éléments de chauffage rapide. Il est important de remarquer que le graphène est également utilisé pour améliorer la capacité de l’oxyde de titane à décomposer certains polluants. Les composites graphène-ciment contenant de l’oxyde de titane peuvent être utilisés comme revêtements photocatalytiques dans les bâtiments intelligents capables de purifier l’air de nos villes et de détruire les polluants aqueux.

Les nombreuses réalisations scientifiques du Work Package sont mises en évidence par le nombre de demandes de brevet, de récompenses et de publications scientifiques. Il convient de noter les 25 collaborations en cours avec des partenaires industriels et les deux entreprises dérivées ayant vu le jour, qui font la promotion des méthodologies de production et des produits à base de graphène sur le marché.

De plus, les résultats et les matériaux nanocomposites produits dans le cadre de ce Work Package sont partagés avec d’autres groupes du Graphene Flagship, pour une utilisation dans des dispositifs de travail dans des domaines comme l’électronique imprimée, les capteurs, les combustibles et les cellules solaires. Cela fera progresser les applications en graphène, au-delà des technologies actuelles. S’exprimant sur l’exfoliation électrochimique et la fonctionnalisation du graphite, le professeur Feng est convaincu que « cela aidera à combler le fossé entre la science des matériaux et les applications pratiques ».

Source : CORDIS