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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Une approche supramoléculaire pour améliorer l’exfoliation en phase liquide du graphène à l’aide de composés aliphatiques

Des chercheurs du Laboratoire de nanochimie de l’Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires et de l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (CNRS / Université de Strasbourg), en collaboration avec l’Université de Manchester (Royaume-Uni), l’Université Humboldt de Berlin (Allemagne), le Conseil National de la Recherche de Bologne (Italie) et « Helmholtz-Zentrum Berlin » (Allemagne), ont mis au point une méthode simple de préparation de dispersions homogènes de nanofeuillets de graphène non fonctionnalisés et non oxydés qui repose sur l’intercalation de molécules aliphatiques. Cette approche permet d’augmenter la concentration des dispersions de graphène obtenues sans en altérer la qualité. Ces travaux sont parus le 15 juillet 2014 dans la revue Angewandte Chemie International Edition.

 

Le graphène est un matériau bidimensionnel composé exclusivement d’atomes de carbone formant une structure en nid d’abeille d’épaisseur monoatomique. Grâce à ses propriétés électroniques, optiques et mécaniques exceptionnelles, le graphène est un candidat prometteur pour des applications dans de nombreux domaines comme l’électronique, la détection, le stockage et la conversion d’énergie, la catalyse ainsi que le marquage biologique.

Le graphène peut être obtenu sous la forme de feuillets de très haute qualité mais dans des quantités limitées par clivage micromécanique, croissance chimique en phase vapeur, traitement thermique du carbure de silicium (SiC), broyage du graphite ou encore synthèse à partir de briques moléculaires (approche dite « bottom-up »). Des feuillets de graphène exempts de défauts peuvent être produits par exfoliation du graphite (approche dite « top-down »). En particulier, l’exfoliation en phase liquide du graphite permet d’extraire des couches individuelles de graphène par sonication. L’utilisation de molécules organiques présentant une forte affinité pour le graphène permet de faciliter cette étape par intercalation et stabilisation des feuillets exfoliés. Notons que l’exfoliation en milieu aqueux est peu recommandée en raison de la nature hydrophobe du graphène et de la présence de molécules d’eau résiduelles pouvant conduire à des phénomènes de piégeage de charges dans les dispositifs électroniques fabriqués à partir de graphène exfolié.

Les chercheurs se sont ainsi intéressés à l’exfoliation du graphène dans un solvant organique, le N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), en présence de composés aliphatiques simples, le 1-phényloctane et l’acide arachidique. Les dispersions de graphène préparées en présence de ces alkanes sont de 25 à 50% plus concentrées que celles obtenues dans le NMP pur. L’auto-assemblage de l’acide arachidique sur une surface de graphite a été observé à l’interface solide–liquide par microscopie à effet tunnel (STM). La spectroscopie Raman a permis de montrer que l’ajout de tels composés stabilisant la dispersion n’affectait ni la qualité ni la structure du graphène obtenu. En outre, la quantité de monocouches de graphène est jusqu’à 10% plus élevée qu’après exfoliation dans le NMP pur.

Les dispersions de graphène ainsi obtenues se sont révélées être des encres conductrices. L’approche développée ouvre de nouvelles perspectives pour l’application des encres à base de graphène en électronique, comme la fabrication d’électrodes et de nanocomposites conducteurs bon marché.

 

samori

Illustration de l’exfoliation en phase liquide du graphène en présence d’acide arachidique dans un solvant organique.
© Paolo Samorì

 

Référence

Artur Ciesielski, Sébastien Haar, Mirella El Gemayel, Huafeng Yang, Joseph Clough, Georgian Melinte, Marco Gobbi, Emanuele Orgiu, Marco V. Nardi, Giovanni Ligorio, Vincenzo Palermo, Norbert Koch, Ovidiu Ersen, Cinzia Casiraghi et Paolo Samorì

Harnessing the liquid-Phase Exfoliation of Graphene using Aliphatic Compounds: A Supramolecular Approach

Angew. Chem. Int. Ed. 15 juillet 2014
DOI: 10.1002/anie.201402696

 

Contact chercheur 

Paolo Samorì, Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires – Strasbourg

Courriel : samori@unistra.fr

Tél. : 03 68 85 51 60

Site web : http://www.nanochemistry.fr


 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

23 juillet 2014

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