Une nouvelle méthode de production de graphène mise au point à l’université Rice utilise ce que l’on appelle le chauffage flash par effet Joule pour fabriquer ce matériau à bon marché
Le potentiel du graphène en tant que matériau qui change la donne est bien compris, mais la recherche de nouvelles et meilleures façons de le produire est en cours. Les scientifiques de l’université Rice font état d’une grande avancée dans ce domaine, en faisant la démonstration d’une nouvelle technique de traitement qui permet de convertir un large éventail de déchets en « graphène flash » de manière économique et efficace.
Grâce à sa haute conductivité thermique et électrique, à son profil ultra-mince et à sa résistance incroyable, le graphène ouvre déjà des possibilités passionnantes dans le monde de la science des matériaux. L’un des principaux moyens de produire des feuilles d’une épaisseur d’un atome est le dépôt chimique en phase vapeur, un processus par lequel une source de carbone (généralement du méthane) est pompée dans une chambre pour forcer une réaction chimique et laisser une fine couche de graphène à la surface d’un substrat mince.
Ce processus peut être laborieux et coûteux, le prix commercial actuel du graphène variant de 67 000 à 200 000 dollars par tonne, selon James Tour, chimiste à l’université Rice. Il a dirigé une équipe de chercheurs pour développer une nouvelle façon de mettre en place ce matériau miracle, qui peut utiliser toutes sortes de choses comme source de carbone pour lutter en même temps contre les déchets environnementaux.
Le procédé utilise ce que l’on appelle le chauffage par flash par effet joule, dans lequel un courant électrique est passé à travers un matériau conducteur pour générer de la chaleur. L’utilisation de cette technologie pour chauffer tout matériau contenant du carbone à environ 3 000 Kelvin (environ 2 730° C) transforme les déchets en flocons de graphène en 10 millisecondes environ, tandis que tous les éléments non carbonés restants sont transformés en gaz utiles.
« Lorsque ce processus est industrialisé, les éléments comme l’oxygène et l’azote qui sortent du réacteur flash peuvent tous être piégés sous forme de petites molécules car ils ont de la valeur », explique James Tour.
L’aspect le plus prometteur de cette nouvelle technologie est la vaste gamme de matériaux qui peuvent être utilisés pour générer les flocons de graphène. Selon l’équipe, tout, des peaux de bananes au charbon, en passant par d’autres déchets alimentaires et même les plastiques, peut servir de source de carbone et être utilisé pour créer du graphène en vrac à une fraction du coût des méthodes actuelles.
« C’est très important », déclare James Tour. « Le monde jette 30 à 40 % de toute la nourriture, parce qu’elle se dégrade, et les déchets plastiques sont une préoccupation mondiale. Nous avons déjà prouvé que toute matière solide à base de carbone, y compris les déchets plastiques mélangés et les pneus en caoutchouc, peut être transformée en graphène ».
Les possibilités qu’une forme de graphène beaucoup moins chère pourrait ouvrir sont un autre résultat passionnant de la recherche. L’équipe a testé des composites de plastique et de béton qui sont améliorés avec son graphène flash, ce dernier s’avérant particulièrement prometteur. Selon James Tour, un ciment contenant seulement 0,1 % de graphène flash pourrait réduire d’un tiers l’immense impact environnemental de la production de béton.
« En renforçant le béton avec du graphène, nous pourrions utiliser moins de béton pour la construction, et il coûterait moins cher à fabriquer et moins à transporter », dit-il. « Essentiellement, nous emprisonnons les gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et le méthane que les déchets alimentaires auraient émis dans les décharges. Nous convertissons ces carbones en graphène et nous ajoutons ce graphène au béton, ce qui réduit la quantité de dioxyde de carbone générée dans la fabrication du béton. C’est un scénario environnemental gagnant-gagnant en utilisant le graphène ».
De là, James Tour et son équipe espèrent continuer à affiner leur production de graphène flash, en l’augmentant dans les deux prochaines années pour produire 1 kg de graphène par jour. Leur objectif immédiat sera un projet nouvellement financé visant à convertir le charbon en graphène flash.
« Cela pourrait fournir un débouché pour le charbon à grande échelle en le transformant à peu de frais en un matériau de construction de bien plus grande valeur », conclut James Tour.
https://news.rice.edu/2020/01/27/rice-lab-turns-trash-into-valuable-graphene-in-a-flash/
