Article de référence | Réf : NM660 v1

Formes de graphène et procédés de production
Graphène - Familles, propriétés, applications et modes de production

Auteur(s) : Alban CHESNEAU

Relu et validé le 05 janv. 2021

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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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ABSTRACT

Graphene - Families, properties, applications and production processes

Graphene, isolated in 2004, still attracts a strong attention from the scientific community as well as from industrials. However, beside this name hides a complete family from which the members can be identified through specific measurements.

This article presents the different types of graphene, their properties and applications as well as the latest progresses in their production process and, in particular, chemical exfoliation which allows to break down the industrialization barrier, which is the main challenge for a large scale market access.

Auteur(s)

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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KEYWORDS

industrialization   |   manufacturing process   |   graphene   |   chemical exfoliation

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-nm660


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3. Formes de graphène et procédés de production

Quand nous parlons de graphène selon une perspective commerciale et industrielle, nous avons vu au travers des différents exemples d’applications qu’il s’agit d’une famille de matériaux qui s’étend des monocouches de carbone à des matériaux composés de très nombreuses couches et dénommés nanoplaquettes de graphène (Graphene Nanoplatelets ou GNPs). Cette famille inclut également des formes plus ou moins oxydées telles que des oxydes de graphène (GO) et des oxydes de graphène réduit (rGO).

Les formes de ce matériau sont multiples et incluent les formes en poudres, fixées sur une plaque de métal, en pâtes ou en dispersions. Une première classification des formes de graphène peut être réalisée par le nombre de couches comme le présente la figure 3.

  • Formes de graphène

    Chacune de ces formes est actuellement dénommée commercialement « Graphène » mais présente des propriétés extrêmement différentes des autres. Ainsi, sous la dénomination graphène, il existe une gamme de matériaux très différents dont les propriétés physiques et chimiques sont très diversifiées.

    Pour classer cette famille très hétérogène, 3 paramètres sont les plus souvent utilisés :

    • L’épaisseur du matériau 

      Les experts du graphène limitent l’utilisation du terme « graphène » à des matériaux dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 10 mono-couches, soit 3 à 4 nm. Cependant, il existe très peu d’entreprises et de laboratoires en capacité de produire un tel matériau actuellement .

    • Diamètre des particules de graphène

      C'est un élément...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - WALLACE (P.R.) -   *  -  . – Phys. Rev. 71, 622.2. Eizenberg, M. & Blakely, J. M. Surf. Sci. 82, p. 228-236 (1947) (1979).

  • (2) - NOVOSELOV (K.S.) et al -   *  -  . – Science 306, p. 666-669 (2004).

  • (3) - MAINE (E.), SEEGOPAUL (P.) -   *  -  . – Nat. Mater. 15, p. 487-491 (2016).

  • (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).

  • (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...

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

1 Brevets

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 ».

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2 Annuaire

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2.1 Producteurs de graphène (liste non exhaustive)

Graphenea – producteur de graphène par CVD

http://www.graphenea.com

Abalonyx – Producteur de RGO

https://www.abalonyx.no/

Applied Graphene Materials – Producteur de graphène à partir d’exfoliation mécanique

https://www.appliedgraphenematerials.com

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