Le calcium comme catalyseur innovant et efficace pour la synthèse du graphène

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21492 (2022) Citer cet article

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La pyrolyse de la biomasse lignocellulosique (carbone dur) produit du biocharbon faiblement graphitique. Dans cette étude, des biocharbons nanostructurés ont été produits à partir de cellulose microcristalline en utilisant le calcium comme catalyseur non conventionnel. Le calcium est abondant, respectueux de l’environnement et largement accessible. La graphitisation de la cellulose imprégnée de calcium a été réalisée à 1 800 °C, température inférieure à 2 000 °C où se produit habituellement la graphitisation. XRD, spectroscopie Raman, TEM haute résolution ainsi que l'outil numérique développé en interne permettent la quantification des franges de graphène dans les biochars. Le biochar cellulosique non imprégné était composé de franges de graphène courtes et mal empilées. L'imprégnation avec 2% en poids de calcium a conduit à la conversion de la structure initiale en une structure de type graphène bien organisée et moins défectueuse. Les structures de type graphène obtenues étaient composées de dizaines de franges de graphène empilées avec une taille de cristallite allant jusqu'à 20 nm et un espacement intercouche moyen égal à 0,345 nm, proche de la valeur de référence du graphite hexagonal standard (0,3354 nm). L’augmentation de la concentration en calcium n’a pas amélioré de manière significative la taille des cristallites des matériaux de type graphène, mais a plutôt considérablement amélioré leur taux. Nos résultats proposent un mécanisme et fournissent de nouvelles informations sur la synthèse de matériaux de type graphène à partir de matières premières biologiques utilisant du calcium, là où la littérature se concentre sur les métaux de transition tels que le fer et le nickel, entre autres. La diminution de la température de graphitisation en dessous de 2000 °C devrait réduire le coût de production ainsi que l'impact environnemental de la synthèse thermique de matériaux de type graphène utilisant la biomasse. Cette découverte devrait stimuler la poursuite des recherches dans le domaine et élargir les perspectives d’application.

Le graphène est un matériau carboné bidimensionnel avec une couche atomique comme épaisseur1. Les feuilles de graphène sont des précurseurs des nanotubes de carbone, du fullerène, des fibres de carbone, du noir de carbone ou du graphite2,3,4. En fonction des caractéristiques telles que la longueur et l'orientation des feuilles de graphène, diverses propriétés pourraient être développées parmi lesquelles la conductivité électrique, la résistance mécanique ou thermique5,6. Le graphène est donc considéré comme un matériau haute performance, prometteur pour un large éventail d’applications telles que les batteries, le stockage d’énergie, l’électronique et la biologie4,7,8,9,10,11.

De nos jours, le graphène peut être produit à partir de matières premières fossiles par des processus descendants ou ascendants3,12,13,14,15,16. Les processus descendants incluent l’exfoliation mécanique ou chimique du graphite extrait pour isoler les feuilles de graphène. Les processus ascendants impliquent la synthèse de graphène à partir de précurseurs d’hydrocarbures gazeux. Les avantages et les inconvénients de chaque procédé ont déjà été discutés dans la littérature17,18. Presque tous les processus utilisent des sources de carbone fossile et sont très exigeants en énergie. Gérer une production à l’échelle industrielle et plus respectueuse de l’environnement de graphène homogène et sans défauts est l’un des principaux défis pour envisager une utilisation commerciale ultérieure du graphène. La production de matériaux de type graphène à partir de bioressources (biomasse, biodéchets…) ouvrirait la voie à de nouveaux matériaux aux propriétés exceptionnelles. Cette approche, contrairement aux techniques standard de fabrication du graphène utilisant des produits chimiques et divers solvants, réduirait l’impact environnemental de la synthèse de matériaux de type graphène.

La cellulose est une ressource renouvelable et le polymère organique le plus abondant sur Terre. La cellulose est utilisée partout dans le monde pour la production de papier et est largement accessible à moindre coût. Sa structure est également relativement homogène parmi la biomasse lignocellulosique, par rapport à la lignine ou à l'hémicellulose. La principale approche pour la synthèse de matériaux de type graphène à partir de la biomasse est la pyrolyse pour générer des biochars de type graphène. La cellulose est composée d'une longue chaîne de molécules de D-glucose, avec exclusivement des carbones sp3. Lors de la pyrolyse de la cellulose, les carbones sp3 suivent des réarrangements chimiques multiples et complexes pour être convertis en carbones sp2 et former des cycles aromatiques19. De ce fait, la cellulose n’est pas un matériau favorable à la graphitisation.