Les mécanismes du calcium

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11390 (2023) Citer cet article

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Une étude récente a montré que des matériaux hautement cristallins à base de graphène peuvent être obtenus à partir de précurseurs de carbone mal organisés en utilisant le calcium comme catalyseur non conventionnel. Les analyses XRD et TEM de biochars de cellulose et de lignine imprégnés de calcium ont montré la formation de structures graphéniques bien ordonnées (Lc > 7 nm, d002 < 0,345 nm) au-dessus de 1 200 °C, bien en dessous des températures de graphénisation standard (T > 2 000 °C). . Nous proposons ici de nouvelles connaissances sur le mécanisme contrôlant la formation de biochars hautement graphéniques utilisant le Ca comme catalyseur. Nous postulons que la graphénisation catalysée par le calcium se produit par la formation d'un carbure de calcium métastable par réaction entre des particules de CaO et du carbone amorphe entre 1 000 et 1 200 °C. Le CaC2 se décompose en vapeur de calcium et en une coque graphénique recouvrant les particules de CaC2, comme le confirme l'analyse TEM. L'épaisseur et la planéité de la coque graphénique augmentent avec la taille initiale des particules de CaC2 (entre 20 et 200 nm), et sa croissance est contrôlée par la diffusion de la vapeur de calcium à travers la couche de graphène. Une graphénisation très efficace a été obtenue pour les biochars de lignine par rapport à la cellulose, avec Lc > 10 nm et d002 < 0,340 nm, attribuée à l'insertion de soufre dans les coques graphènes, ce qui favorise leurs ruptures et la décomposition du CaC2 en graphène. Nous pensons que ces résultats permettraient de réduire les coûts et l’impact environnemental de la synthèse de matériaux à base de graphène en utilisant également des matières premières et des catalyseurs renouvelables bon marché et abondants.

Le graphène est un matériau carboné bidimensionnel composé d’atomes de carbone hybridés sp2 disposés dans un réseau hexagonal. Il se caractérise par une conductivité électrique élevée (~ 106 sm−1), une résistance mécanique (résistance à la traction ≈ 130 GPa) et une surface spécifique (~ 2675 m2 g−1)1,2. Par conséquent, le graphène et les matériaux à base de graphène tels que le fullerène, les nanotubes de carbone ou le graphite sont envisagés pour des applications dans divers domaines avancés tels que les supercondensateurs3,4,5, l'électronique6, le stockage d'énergie7 et les dispositifs médicaux8,9. Le graphène est actuellement synthétisé par des processus descendants ou ascendants qui nécessitent généralement des traitements mécaniques, chimiques ou thermiques complexes10,11,12. En outre, la plupart des précurseurs de carbone standard pour la synthèse du graphène impliquent des ressources fossiles ou pétrolières non durables, ce qui aggrave le coût environnemental de la synthèse du graphène et des matériaux à base de graphène.

Au cours des dernières années, l’utilisation de la biomasse lignocellulosique comme précurseur pour la synthèse du graphène a attiré beaucoup d’attention en raison de son abondance, de son caractère renouvelable et de son faible coût. Cependant, les bioressources lignocellulosiques, qui sont un mélange complexe de cellulose, d'hémicelluloses et de lignine avec des éléments inorganiques, sont des carbones « non graphitisants », ce qui signifie qu'elles produisent des feuilles de graphène courtes et irrégulièrement empilées (carbone turbostratique) même après carbonisation à haute température ( T > 2000 °C)13,14,15,16. Par conséquent, la graphénisation correspond à la formation et à la croissance de couches de graphène allant du carbone désordonné aux matériaux carbonés 2D avec un léger caractère 3D (turbostratique), tandis que la graphitisation fait référence à une structure cristalline 3D régulière17. Néanmoins, des études antérieures ont rapporté que le dopage du précurseur de la biomasse lignocellulosique avec des espèces soigneusement sélectionnées améliore la graphénisation des carbones non graphitants en matériaux hautement cristallins à base de graphène à des températures relativement basses (T < 1 000 °C). Hoekstra et coll. et Séville et al. tous deux ont obtenu des carbones graphéniques hautement cristallins à partir de cellulose à 800 et 900 °C en utilisant du nickel18,19, tandis que Yan et al., Gong et al. et Thompson et al. utilisé du fer pour produire des matériaux graphéniques multicouches à une température inférieure à 1 000 °C à partir de lignine kraft, de sciure de bambou et de résineux respectivement20,21,22. La plupart des articles sur la graphénisation catalytique se sont concentrés sur les métaux de transition, en particulier le fer, le cobalt et le nickel pour leur efficacité et leur abondance de graphénisation19,20,21,22,23,24,25,26,27. Néanmoins, d'anciennes recherches menées dans les années 80, résumées par Oya et al.28, ont révélé que de multiples éléments, notamment les métaux alcalino-terreux comme le calcium, peuvent être des catalyseurs efficaces pour la graphénisation de diverses ressources carbonées29,30. Cette dernière voie n’était plus envisagée jusqu’à une étude récente de notre équipe. Nous avons confirmé l'activité catalytique du calcium sur la graphénisation du biochar cellulosique carbonisé à 1800 °C31. En résumé, l’imprégnation de la bioressource en calcium a conduit à la formation d’un domaine hautement graphénique dans le biochar, dont la proportion augmente avec la charge en calcium. Contrairement aux catalyseurs classiques de métaux de transition (Fe, Ni, Co), le calcium est plus respectueux de l'environnement, plus abondant et moins cher, et pourrait donc attirer davantage l'attention dans les futurs travaux dans le domaine des matériaux carbonés graphéniques.