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Stratégie

Carbon Waters : pas d’eau gazeuse pour disperser le graphène

Une équipe du Centre de recherche Paul Pascal du CNRS à Bordeaux a réussi à disperser du graphène dans de l’eau, sans utiliser d’additifs. Un tour de force rendu possible grâce à l’emploi d’eau dégazée. Visant à disperser des nanoformes de carbone, le projet Carbon Waters bénéficie depuis janvier 2016 d’un accompagnement par le programme de prématuration du CNRS.

Couche élémentaire du graphite, le graphène nourrit aujourd’hui bien des attentes. Il concentre à lui seul un ensemble de propriétés inédites. Composé d’une seule épaisseur d’atomes de carbone, il conduit, sans résistance, le courant électrique sur des distances supérieures à mille fois cette épaisseur. Léger et quasi-transparent, il affiche également une résistance mécanique et une conductivité thermique très élevées. Enfin, il représente une barrière infranchissable pour l’eau et les gaz.

Ce matériau très prometteur n’a qu’un seul défaut : il est très difficile à isoler. Individualiser une seule couche d’atomes de carbone exige en effet de vaincre des forces qui lient fortement les couches ensemble pour former le graphite. Une méthode consiste à plonger le graphite dans un mélange très oxydant d’acide sulfurique et de permanganate de potassium, mais le matériau perd alors sa conductivité. Une autre implique de mixer le graphite avec du savon : l’exfoliation est alors loin d’être totale et la méthode ne permet pas d’arriver à la couche élémentaire du graphène.

Des chercheurs du Centre de recherche Paul Pascal du CNRS sont partis sur une autre piste. Ils ont tout d’abord montré que des sels de graphite sont solubles dans certains solvants. Mais la manipulation des solutions de « graphènure » ainsi obtenues n’est possible que sous atmosphère inerte, c’est-à-dire sans oxygène ni eau, sans quoi le graphène se réassemble rapidement en graphite.

Les chercheurs se sont ensuite dirigés vers la piste de l’émulsion. Après avoir débarrassé l’eau du gaz qui y est naturellement dissous, ils lui ont injecté la solution de « graphènure ». Ils ont alors obtenu une eau de graphène où les ions hydroxyde (OH-) de l’eau s’adsorbent à la surface du graphène en lieu et place des molécules de gaz éliminées. Ainsi chargés négativement, les feuillets de graphène se repoussent entre eux. Stable à l’air, cette dispersion aqueuse du graphène est facilement manipulable. C’est la première formulation de graphène en couche unique. Elle a fait l’objet d’un dépôt de brevet1 et d’une publication dans la revue Nature Chemistry2.

Le programme de prématuration du CNRS accompagne par ailleurs le projet Carbon Waters afin qu’il permette également de disperser d’autres nanoformes de carbone. Le but est de multiplier par 50 ou 100 les volumes d’eau de graphène générée. Une exfoliation complète du graphite dans de l’eau dégazée disperse jusqu’à 200 m2 de graphène par litre d’eau de graphène. Cette formulation trouve des applications dans le domaine des films de blindage électromagnétique et des supercondensateurs.

 

1 Brevet CNRS EP14172164 « Suspensions aqueuses et organiques de matériaux en nanocarbone exfolié, leur procédé de préparation et leurs utilisations » déposé le 12/06/2014, et étendu, en 2015,par voie PCT (EP2015063075) et voie nationale en Europe,  Chine, aux USA et au Japon.

2 G. Bepete, E. Anglaret, L. Ortolani, V. Morandi, K. Huang, A. Pénicaud & C. Drummond. Surfactant Free Single Layer Graphene in Water. Nature Chemistry 28 novembre 2016, DOI:10.1038/NCHEM.2669

 

Contacts :

Carlos Drummond / Centre de recherche Paul Pascal / drummond@crpp-bordeaux.cnrs.fr

Alain Pénicaud / Centre de recherche Paul Pascal / penicaud@crpp-bordeaux.cnrs.fr

Saïd Essabaa / Direction de l’innovation et des relations avec les entreprises CNRS/

said.essabaa@cnrs-dir.fr