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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

 Graphène et fullerène : un mariage électrique

L’utilisation du graphène comme matériau photovoltaïque fait l’objet de nombreuses études. Une des difficultés est sa solubilisation dans des solvants organiques pour le rendre compatible avec les processus de fabrication de cellules photovoltaïques. Difficulté surmontée par des équipes du Laboratoire de chimie moléculaire (CNRS / Université de Strasbourg) et de laboratoires Espagnols(*)  qui sont parvenues à greffer des entités fullerènes sur un oxyde de graphène. Ce matériau hybride, soluble dans divers solvants, produit des charges positives et négatives sous l’effet de la lumière, étape clé pour la production d’un photo-courant, ce qui en fait un prototype prometteur pour des dispositifs photovoltaïques.

 

Fullerène et graphène sont deux membres de la famille des allotropes du carbone. Si les fullerènes sont connus depuis 1986, le graphène n’a été découvert qu’au début du 21ème siècle. Ce matériau était pourtant sous nos yeux depuis toujours puisque l’empilement de feuillets de graphène constitue le graphite. Ce n’est qu’en 2004 qu’Andre Geim et Konstantin Novoselov ont eu l’idée de déposer des feuillets de graphène sur des plaques de dioxyde de silicium pour en étudier les propriétés physiques.  Ils ont ainsi mis en évidence des propriétés de conduction tout à fait exceptionnelle.

Le graphène est un candidat de choix pour des applications dans le domaine de l’énergie et son utilisation comme matériau photovoltaïque est au centre de nombreuses études. Une des premières difficultés à surmonter est sa mise en forme au sein des dispositifs photovoltaïques en le rendant soluble dans des solvants organiques. La modification chimique du graphène va permettre de le solubiliser et de le rendre ainsi compatible avec les processus de fabrication de cellules photovoltaïques. Mais il faut ensuite le combiner à un partenaire pour former un matériau composite dans lequel vont se créer des charges positives et négatives sous l’effet de la lumière, étape clé pour la production d’un photo-courant.

Le fullerène (C60) a été choisi comme accepteur d’électron. Cependant, la combinaison du graphène et du fullerène au sein d’un matériau unique en les liant l’un à l’autre de manière covalente n’est pas simple. En effet, le défi à relever est de réaliser la synthèse d’un tel nanomatériau hybride sans pour autant altérer les propriétés de ses deux constituants. Les chercheurs ont tout d’abord oxydé le graphène, puis l’ont chimiquement modifié pour conduire à un graphène partiellement oxydé ou oxyde de graphène (GO), porteur de fonctions réactives permettant le greffage d’entités fullerènes. Le matériau hybride GO-C60 ainsi obtenu est soluble dans divers solvants organiques et a pu être caractérisé par toute une série de méthodes analytiques. La microscopie électronique en transmission (MET) a révélé des feuillets de GO ayant une taille similaire à celle du graphène de départ, et a également permis l’observation des sphères de C60. Les chercheurs ont également montré que la structure en nid d’abeille du graphène était préservée. L’ensemble des traitements chimiques n’a donc que très peu altéré la structure du graphène.

Une étude des propriétés photophysiques du composé hybride GO-C60 a révélé un processus de transfert d’électron photoinduit. La lumière absorbée par le nanomatériau conduit à une réaction d’oxydo-réduction dans laquelle les deux nano-formes de carbone jouent un rôle complémentaire, le C60 étant l’accepteur d’électron et le GO le donneur d’électron. L’ensemble des transformations chimiques nécessaires à la préparation du composé hybride GO-C60 n’a donc pas significativement perturbé les propriétés intrinsèques de ses deux éléments constitutifs. GO-C60 est donc un candidat prometteur pour l’élaboration de dispositifs photovoltaïques. Cette étude lève quelques verrous importants pour l’utilisation de graphène dans le domaine des énergies renouvelables et contribue à renforcer les espérances pour des applications de ce matériau révolutionnaire.

 

(*) Instituto de Nanociencia, Nanotecnología y Materiales Moleculares - Toledo
Instituto de Catálisis y Petroleoquímica - Madrid
Universidad Autónoma de Madrid - Madrid
Instituto de Ciencia Molecular - Valencia
Instituto Universitario de Tecnología Química - Valencia

 

 

nierengarten

Représentation schématique du matériau hybride GO-C60. La photo montre une dispersion stable du produit.

© J. F. Nierengarten 

 

nierengarten

Observation du matériau hybride GO-C60 par MET montrant un feuillet de graphène modifié. En haute résolution, il est possible d’observer les sphères de C60 greffées sur le GO (les C60 sont indiqués par une flèche sur les images de droite). En mode diffraction, le réseau hexagonal caractéristique du graphène est clairement observé (coin supérieur gauche).

© J. F. Nierengarten 

 

nierengartenReprésentation schématique du matériau hybride GO-C60. L’absorption de lumière conduit à un transfert d’électron du GO vers le C60.

© J. F. Nierengarten 

 

 

Référence

Fernando Langa,   Myriam Barrejón,   María Vizuete,   Maria J Gómez-Escalonilla,   J L G
Fierro,   Isadora Berlanga,   Felix Zamora,   Gonzalo Abellán,   Pedro Atienzar,   J F Nierengarten and   Hermenegildo Garcia  

A photoresponsive graphene oxide-C60 conjugate

Chem. Comm. 19 mai 2014
DOI: 10.1039/C3CC49589B

 

Contact chercheur

Jean-François Nierengarten, Laboratoire de chimie moléculaire - Strasbourg

Courriel : nierengarten@unistra.fr

Tél. : 03 68 85 27 64

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

6 juin 2014

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