Les systèmes nanoporeux des zéolites sont un modèle idéal pour la synthèse de l'architecture tridimensionnelle (3D) du graphène, mais les températures élevées nécessaires à leur synthèse provoquent des réactions non sélectives. L'équipe de l'IBS Center for Nanomaterials and Carbon Materials a abaissé la température nécessaire à la carbonisation en incorporant des ions lanthane (La3+), un élément en métal blanc argenté, dans les pores de la zéolite.

Graphène, un allotrope de carbone, découvert il y a plus d'une décennie a conduit à une myriade de recherches qui cherchent à libérer son vaste potentiel. Zéolithes, catalyseurs solides microporeux couramment utilisés dans l'industrie pétrochimique, ont récemment attiré l'attention dans le domaine de la science des matériaux en tant que modèle pour la synthèse du carbone. Chaque cristal individuel se distingue par sa structure de pores unique de 1 nanomètre (nm), cette structure facilite l'hébergement des nanotubes de carbone à l'intérieur de la zéolithe. Sur papier, ces systèmes nanoporeux sont un modèle idéal pour la synthèse d'une architecture de graphène tridimensionnelle (3D), mais les pores de la zéolite sont trop petits pour accueillir des composés moléculaires volumineux comme l'alcool polyaromatique et furfurylique qui sont souvent utilisés dans la synthèse du carbone. De petites molécules comme l'éthylène et l'acétylène peuvent être utilisées comme source de carbone pour obtenir une carbonisation réussie dans les pores de la zéolite, mais cela coûte cher. Les températures élevées nécessaires à la synthèse provoquent des réactions non sélectives sur les surfaces externes de la zéolithe ainsi que sur les parois internes des pores, entraînant un dépôt de coke et provoquant par conséquent de sérieuses limitations de diffusion dans les pores de la zéolite.

L'équipe du Centre IBS pour les nanomatériaux et les matériaux carbonés a résolu cette énigme avec une nouvelle approche. Le premier auteur, le Dr KIM Kyoungsoo, explique :« La synthèse du carbone sur un modèle de zéolite existe depuis longtemps, mais le problème des températures a empêché de nombreux scientifiques d'extraire leur plein potentiel. Ici, notre équipe a cherché la réponse en incorporant des ions de lanthane (La3+), un élément en métal blanc argenté, dans les pores de la zéolite. Cela abaisse la température requise pour la carbonisation de l'éthylène ou de l'acétylène. Une structure de carbone sp2 de type graphène peut être formée sélectivement à l'intérieur du modèle de zéolite, sans dépôt de carbone sur les surfaces externes. Une fois le gabarit de zéolite retiré, la charpente de carbone présente une conductivité électrique supérieure de deux ordres de grandeur à celle du carbone mésoporeux amorphe, ce qui est un résultat assez étonnant. Cette stratégie de synthèse très efficace basée sur les ions lanthane rend la formation de la charpente carbonée dans les pores de diamètre inférieur à 1 nm aussi facilement reproductible que dans les matrices mésoporeuses, et fournit ainsi un procédé général pour synthétiser des nanostructures de carbone avec différentes topologies correspondant aux topologies de pores de zéolithe, tels que FAU, EMT, bêta, LTL, IMF et LTA. Aussi, toute la synthèse peut être facilement étendue, ce qui est important pour les applications pratiques - batteries, stockage de carburant et autres supports de catalyseur de type zéolite.

L'équipe IBS a commencé son expérience en utilisant des ions La3+. Le Dr KIM explique pourquoi cet élément blanc argenté s'est avéré si bénéfique pour l'équipe, "Les ions La3+ sont irréductibles dans les conditions du processus de carbonisation, ils peuvent donc rester à l'intérieur des pores de la zéolite au lieu de se déplacer vers la surface extérieure de la zéolite sous la forme de particules métalliques réduites. Dans les pores, ils peuvent stabiliser l'éthylène et la pyrocondensation de manière intermédiaire pour former une charpente carbonée dans la zéolite."