Faire apparaître du graphène à partir de déchets n'était qu'un bon début. Maintenant, les chercheurs de l'Université Rice le personnalisent.

Le laboratoire Rice du chimiste James Tour a modifié son procédé de chauffage flash Joule pour produire du graphène dopé qui adapte les structures et les états électroniques du matériau d'épaisseur atomique pour les rendre plus adaptés aux nanodispositifs optiques et électroniques. Le processus de dopage ajoute d'autres éléments à la matrice de carbone 2D du graphène.

Le processus rapporté dans la revue de l'American Chemical Society ACS Nano montre comment le graphène peut être dopé avec un seul élément ou avec des paires ou des trios d'éléments. Le processus a été démontré avec des éléments simples de bore, d'azote, d'oxygène, de phosphore et de soufre, une combinaison de deux éléments de bore et d'azote et un mélange de trois éléments de bore, d'azote et de soufre.

Le processus prend environ une seconde, est à la fois sans catalyseur et sans solvant, et dépend entièrement du "flashage" d'une poudre qui combine les éléments dopants avec du noir de carbone.

Le dopage du graphène est possible grâce à des approches ascendantes comme le dépôt chimique en phase vapeur ou les procédés organiques synthétiques, mais ceux-ci donnent généralement des produits en quantités infimes ou produisent des défauts dans le graphène. Le procédé Rice est une voie prometteuse pour produire rapidement et sans solvants, catalyseurs ou eau de grandes quantités de graphène "dopé par des hétéroatomes".

"Cela ouvre un nouveau domaine de possibilités pour le graphène flash", a déclaré Tour. "Une fois que nous avons appris à fabriquer le produit original, nous savions que la capacité de synthétiser directement du graphène turbostratique dopé conduirait à de nombreuses autres options pour des produits utiles. Ces nouveaux atomes ajoutés à la matrice de graphène permettront de fabriquer des composites plus solides puisque les nouveaux atomes seront se lient mieux au matériau hôte, tel que le béton, l'asphalte ou le plastique. Les atomes ajoutés modifieront également les propriétés électroniques, les rendant mieux adaptés à des dispositifs électroniques et optiques spécifiques."

Le graphène est turbostratique lorsque les empilements de réseaux en nid d'abeille 2D ne s'alignent pas les uns sur les autres. Cela facilite la dispersion des feuilles nanométriques dans une solution, produisant du graphène soluble qui est beaucoup plus simple à incorporer dans d'autres matériaux, a déclaré Tour.

Le laboratoire a testé divers graphènes dopés dans deux scénarios :les réactions électrochimiques de réduction de l'oxygène (ORR) qui sont essentielles pour les dispositifs catalytiques comme les piles à combustible, et dans le cadre d'une électrode dans les batteries au lithium métal qui représentent la prochaine génération de batteries rechargeables à haute densité d'énergie.

Le graphène dopé au soufre s'est avéré le meilleur pour l'ORR, tandis que le graphène dopé à l'azote s'est avéré capable de réduire la surtension de nucléation lors de l'électrodéposition du lithium métallique. Cela devrait faciliter un dépôt plus uniforme et améliorer la stabilité des batteries métalliques rechargeables de nouvelle génération, a rapporté le laboratoire. + Explorer plus loin

L'apprentissage automatique affine le graphène flash