Des chercheurs de Tohoku University et de Queen Mary University of London ont réussi à produire du graphène à seulement 300 degrés Celsius, contre environ 900 degrés habituellement. Cette baisse drastique de température, publiée dans le Journal of the American Chemical Society, réduit la consommation d’énergie tout en offrant un meilleur contrôle sur les structures obtenues.
La fabrication du graphène pourrait bientôt devenir beaucoup moins énergivore. Alors que le procédé classique de dépôt chimique en phase vapeur (connu sous le sigle CVD) exige des températures avoisinant les 900 degrés Celsius, une équipe internationale de scientifiques a abaissé ce seuil thermique à 300 degrés.
Le rôle clé des lacunes d’oxygène sur l’oxyde de cérium
Pour contourner les contraintes des méthodes traditionnelles, les chercheurs de Tohoku University et de Queen Mary University of London ont exploité une combinaison d’acétylène et d’oxyde de cérium. Sur la surface de ce dernier se forment naturellement de minuscules zones dépourvues d’atomes d’oxygène, appelées lacunes d’oxygène. Ces sites particuliers servent de points de départ pour enclencher les réactions chimiques nécessaires à la croissance des structures en graphène.
Lorsque l’acétylène entre en contact avec l’oxyde de cérium, le gaz commence à se décomposer dès 113 degrés Celsius environ. En élevant ensuite la température à 300 degrés, l’acétylène extrait davantage d’oxygène du matériau, ce qui engendre de nouveaux sites actifs et permet à la réaction de se poursuivre à un rythme plus lent et mieux maîtrisé.
Moduler la température pour diversifier les formes de carbone
L’abaissement de la température ne sert pas uniquement à économiser de l’énergie. Les résultats de l’étude démontrent que le niveau thermique choisi dicte directement la forme finale du matériau carboné produit. Une telle souplesse de fabrication permet d’obtenir plusieurs variétés distinctes au sein d’un même procédé technologique :
- À 300 degrés Celsius, la méthode génère des points quantiques de graphène, de très petites particules de carbone émettant une lumière fluorescente bleue.
- À 450 degrés Celsius, le processus produit du graphène zluštěný (zclusé ou aggloméré).
- À 600 degrés Celsius, les chercheurs obtiennent un graphène poreux doté d’une vaste surface active.
Cette maîtrise est essentielle car les différentes formes de graphène ne possèdent ni les mêmes propriétés ni les mêmes applications. Un matériau taillé pour un catalyseur ne convient pas nécessairement à l’électronique ou aux accumulateurs. Ajuster simplement la température offre donc une méthode directe pour adapter la production à l’usage visé.
Valoriser des sources de carbone alternatives
L’autre atout de cette technique réside dans la nature du combustible utilisé. L’acétylène employé n’a pas besoin de provenir de matières premières vierges. Il peut être tiré de gaz résiduaires industriels, de biomasse ou encore de plastiques recyclés. Du carbone qui aurait fini par être brûlé comme combustible de moindre valeur se trouve ainsi transformé en un matériau à forte valeur ajoutée.
Malgré ces avancées, le passage de l’échelle de laboratoire à la production industrielle reste à franchir. L’équipe de recherche doit maintenant vérifier si la méthode se comporte avec la même fiabilité à grande échelle pour concrétiser la baisse des exigences énergétiques et l’exploitation des déchets carbonés.
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