Exfoliation optimisée du graphite en fonction du temps pour la fabrication de pseudo-composites à base de nanocomposite graphène/GO/GrO

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14218 (2023) Citer cet article

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Les dispositifs à haute capacité (supercondensateurs) fabriqués à partir de matériaux bidimensionnels tels que le graphène et ses composites attirent récemment une grande attention de la communauté des chercheurs. La synthèse de matériaux 2D et de leurs composites de haute qualité est souhaitable pour la fabrication de supercondensateurs à base de matériaux 2D. L'exfoliation en phase liquide assistée par ultrasons (UALPE) est l'une des techniques les plus utilisées pour la synthèse du graphène. Dans cet article, nous rapportons l'effet de la variation du temps de sonication sur l'exfoliation de la poudre de graphite afin d'extraire un échantillon aux propriétés optimales bien adaptées aux applications de supercondensateurs. Trois poudres de graphite différentes (appelées ci-après échantillon A, échantillon B et échantillon C) ont été soniquées pendant une durée de 24 h, 48 h et 72 h à 60 °C. L'exfoliation de la poudre de graphite en graphène, GO et GrO a été étudiée par XRD et RAMAN. L'AFM et le SEM ont ensuite été utilisés pour examiner la structure en couches du nanocomposite synthétisé. La spectroscopie UV-visible et la voltammétrie cyclique ont été utilisées pour mesurer les bandes interdites et le comportement capacitif des échantillons. L'échantillon B présentait une capacité spécifique remarquable de 534,53 F/g avec une capacité spécifique de charge de 530,1 C/g à 1 A/g et une densité d'énergie de 66 kW/kg. La densité de puissance variait de 0,75 kWh/kg à 7,5 kWh/kg pour une variation de densité de courant de 1 à 10 A/g. L'échantillon B présentait une rétention capacitive de 94 %, l'impédance la plus faible et le degré d'exfoliation et de conductivité le plus élevé par rapport aux deux autres échantillons.

Les dispositifs de stockage d’énergie ont toujours été un domaine de recherche en plein essor en raison de l’augmentation continue de la demande en énergie. Différents types de dispositifs de stockage d'énergie ont été réalisés, qui stockent l'énergie de manière chimique, électrochimique, mécanique, cinétique, magnétique et thermique, etc. Par exemple, les piles à combustible, les batteries, les volants d'inertie, les pompes hydrauliques et les super-aimants, etc. En raison de l'augmentation constante des combustibles fossiles les prix (peur de l’épuisement) et la montée en puissance des énergies respectueuses de l’environnement ont accru la demande de dispositifs de stockage d’énergie. Les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique utilisent l'énergie chimique dans leur matériau actif pour générer de l'énergie électrique via des réactions d'oxydo-réduction, de manière efficace et rentable1. Ces dispositifs présentent une densité d'énergie élevée ou une densité de puissance élevée, parfaitement adaptées à l'électronique portable actuelle et future. Cependant, il est désormais souhaitable d’obtenir une densité d’énergie et une densité de puissance élevées avec le même matériau2. Les supercondensateurs présentent une capacité spécifique élevée et une densité énergétique élevée, ce qui en fait un candidat approprié pour les applications de stockage d'énergie.

Les matériaux bidimensionnels (matériaux 2D) ont une épaisseur nanométrique et présentent des propriétés électroniques et mécaniques supérieures telles que la mobilité électronique, la conductivité et la résistance mécanique. De nombreux matériaux 2D sont candidats pour des applications de stockage d'énergie tels que le graphène, les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), les carbures ou nitrures de métaux de transition (MXènes) et le nitrure de bore hexagonal (h-BN), etc. La plupart des matériaux 2D sont exfoliés de leur précurseur 3D, par exemple. Par exemple, le graphène est exfolié mécaniquement du graphite. Dans le graphite, chaque atome de carbone est lié de manière covalente à trois autres atomes de carbone et chaque atome de carbone est hybridé sp3. Ces atomes de carbone sont disposés en couches hexagonales en nid d'abeilles avec de faibles forces de Van der Waal entre les couches. Le graphène peut être exfolié du graphite en raison de cette faible liaison intercouche. Le graphène présente des propriétés extraordinaires telles que la flexibilité, une conductivité thermique imbattable et un comportement électronique. La monocouche de graphène est un matériau à bande interdite nulle avec une feuille d'atomes de carbone hybridés sp2. En raison de sa bande interdite nulle, son utilisation dans les dispositifs semi-conducteurs est limitée.

Le graphène monocouche a été exploré théoriquement pour la première fois par Wallace en 19473. Andre Geim et Kostya Novoselov ont utilisé une technique de clivage micromécanique pour extraire le graphène du graphite4. La méthode de clivage micromécanique ou de scotch est une approche descendante dans laquelle un matériau en vrac est utilisé et exfolié à l'échelle nanométrique. Cela donne une monocouche de graphène mais ce n'est pas un processus évolutif et est très fastidieux avec des impuretés attachées à une feuille de graphène. Différentes techniques ascendantes sont utilisées pour la fabrication du graphène, telles que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma (PECVD), l'exfoliation en phase liquide (LPE) et l'exfoliation en phase liquide assistée par ultrasons (UALPE). Les dépôts chimiques en phase vapeur (CVD) utilisés pour le dépôt de graphène sur des substrats métalliques et son transfert sur différents substrats comme le SiC sont introduits et optimisés5,6. La taille maximale d'un monocristal développé sur un substrat diélectrique par CVD est de l'ordre du micron7. Le dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma (PECVD) surmonte les inconvénients du CVD en faisant croître le graphène à plus basse température et moins de temps tout en compromettant la qualité de la taille du domaine8,9. Des films de graphène 3D sont cultivés sur de l'alumine anodique nanoporeuse à l'aide de PECVD10. L'exfoliation en phase liquide (LPE) est une méthode simple, peu coûteuse et évolutive d'exfoliation du graphène. Dans cette méthode, il n’y a aucune contrainte de température et le graphène est obtenu sous forme de suspension et peut être utilisé pour la fabrication d’appareils électroniques. Cependant, certains solvants peuvent nécessiter un temps de sonication important pour l'exfoliation et la quantité de graphène en dispersion est très faible. Récemment, des nanoplaquettes de graphène sont exfoliées du graphite en un temps de sonication relativement inférieur à 3 heures en utilisant de l'oxyde de graphite comme agent dispersant11. Un matériau semblable au graphène est obtenu par cisaillement intermittent de poudre de graphite commerciale dans de l'eau DI à l'aide du tensioactif Ultra Plus Konzentrat12. L’utilisation d’agents dispersants simples est cruciale pour commercialiser la synthèse du graphène. Dans l’exfoliation en phase liquide assistée par ultrasons (UALPE), la poudre est dispersée dans un solvant et des ondes sonores ultrasoniques traversent la dispersion pour produire des dispersions de graphène.