Quelques applications du graphène

La stupéfiante polyvalence du graphène donne lieu à de multiples applications commerciales. De fait, celles-ci sont pratiquement illimitées. La liste ne cesse de s’allonger. En voici quelques exemples :

 Disques durs capables d’emmagasiner 1 000 fois plus d’information.

 Les semi-conducteurs sur lesquels s’appuient les ordinateurs ultrarapides de l’avenir (et qui remplacent le silicium).

 Des écrans flexibles (enroulables et pliables, servant de base à plusieurs dispositifs) extrêmement fins, qui peuvent s’intégrer à des systèmes de type « paiement sans contact ».

Page | 34  Des batteries à durée de vie plus longue pour les téléphones portables, les ordinateurs et les voitures électriques (des batteries aux électrodes à base de graphène sont dix fois plus durables que celles que nous utilisons aujourd’hui pour recharger nos mobiles).  De nouveaux réseaux de télécommunication ultrarapides.

 Des ultra-condensateurs (pour les automobiles et les trains électriques, et pour améliorer le rendement des lignes de distribution électrique).

 Des applications aéronautiques : pour des avions qui voleront bien plus vite et émettront moins de gaz nocifs dans l’atmosphère.

 De puissants panneaux solaires, d’une efficacité de 42 % (actuellement, leurs cellules ne convertissent en électricité que 16 % de l’énergie qu’elles reçoivent).

 Des téléviseurs OLED (Organic LED) qui seront fabriqués avec des matériaux organiques, plus respectueux de l’environnement.

 Des membranes efficaces, du point de vue énergétique, dans la production de gaz naturel et, de plus, dans la réduction des émissions de dioxyde de charbon des cheminées thermiques et des tuyaux d’échappement des véhicules.

 Baisse du coût du processus de séparation du gaz dans la fabrication de plastiques et de combustibles.

 Des applications médicales, comme la mise au point de nouveaux vaccins contre le cancer et de capteurs à tatouer sur les dents pour détecter des pathologies [59]_.

Le schéma suivant (figure 10) illustre quelques applications du graphène classées par secteur d’activité et agrémentées de quelques exemples.

Page | 35 Figure 10 : Vue d'ensemble des différentes applications du graphène [59]_.

I.2.3.1. Le graphène dans les dispositifs de stockage d'hydrogène

L'hydrogène, le principal concurrent des carburants actuels, est un élément abondant pour développer le carburant propre de la prochaine génération. Les piles à combustible à base d'hydrogène sont des solutions prometteuses pour la livraison efficace et propre de l'électricité.

L'hydrogène peut réagir avec l'oxygène ambiant pour libérer de l'énergie, laissant seulement l'eau en tant que déchet. Surmonter les principaux obstacles concernant les applications pratiques et les problèmes du stockage et du transport, en particulier pour une utilisation dans des applications mobiles, doit être accompli avant que l'hydrogène puisse devenir une source d'énergie répandue. Parce que l'hydrogène est un vecteur d'énergie, une étape clé pour le développement d'une technologie à base d'hydrogène nécessite de résoudre les problèmes de stockage et de transport. À cet égard, le matériau graphène a récemment attiré l'attention en tant que milieu de stockage prometteur.

Page | 36 Le graphène, qui a une très grande surface spécifique en combinaison avec son faible poids, sa robustesse, son inertie, et ses propriétés physico-chimiques attrayantes, est parmi les matériaux les plus appropriés pour le stockage de l'hydrogène. Ce dernier peut réagir avec la surface du graphène selon un processus de physisorption (forces de Van der Waals) et chimisorption (formant une liaison chimique avec les atomes de carbone), et l'efficacité de la capacité de stockage est généralement mesurée par deux paramètres: la densité gravimétrique (GD), à savoir le pourcentage en poids d'hydrogène stocké dans le poids total du système, et la densité volumétrique (VD), qui est le masse d'hydrogène stockée par unité de volume du système. L'interaction entre l'hydrogène et le graphène peut être réglé en ajustant la distance entre des couches adjacentes ou par fonctionnalisation chimique du matériau qui pourrait être ajusté afin d'améliorer les propriétés d'adsorption/désorption d'atomes d'hydrogène sur le graphène. La liaison de l'hydrogène moléculaire est faible et nécessite donc des températures basses et une pression élevée pour assurer une stabilité de stockage raisonnable.

Dans les conditions les plus favorables (température élevée et basse pression), l’hydrogène peut former une monocouche compacte uniforme sur le feuillet de graphène [59]_.

I.2.3.2. Le graphène dans les batteries

Le graphène s'avère être un matériau extrêmement intéressant et innovant dans des dispositifs de stockage d'énergie portables. Les batteries sont largement utilisées dans les automobiles (voitures et motos), avions, bateaux, navires et les équipements électroniques (Zhang et al. [25]_{). Les batteries lithium-ion conventionnelles sont l'un des dispositifs de}

stockage d'énergie les plus prometteurs qui peut être utilisé dans des applications électroniques portables (Chen et al. [58]_{). L'accent mis actuellement sur les piles rechargeables a rendu}

raisonnable des améliorations en termes de capacité supérieure et de taille compacte pour une utilisation pratique.

Page | 37 Le graphène et ses matériaux composites ont été utilisés comme nouvelles électrodes pour les batteries lithium-ion (Atabaki et al. [78]_{). La capacité spécifique des batteries Li-C est}

assez faible (370 mAh/g) car six atomes de carbone ne peuvent accueillir qu’un seul ion lithium en formant un composé d'intercalation (LiC6) (Liang et al. [79]).

Les excellentes propriétés du graphène et la facilité de fabrication de composites à base de graphène avec du métal, des oxydes métalliques, et des polymères en font des matériaux extraordinaires dans le domaine des batteries. Des batteries Li-ion avec du LiFePO4 comme

cathode et un composite TiO2/graphène comme anode ont été expérimentés par Choi et al. [80]

avec une dégradation négligeable, même après 700 cycles à 1 Cm.

I.2.3.3. Le graphène dans les matériaux composites

Il a déjà été établi que l'ajout de NTC aux matrices polymère améliorent les propriétés mécaniques, électriques et thermiques (Coleman et al. [81]_).

Maintenant, le défi est pour le graphène monocouche d'être utilisé à grande échelle comme un substitut peu coûteux et commode pour les NTC. Il a été démontré que l'incorporation de feuillets de graphène bien dispersés au sein de nanocomposites hybrides (polymères / graphène - nanométaux – Polymère) à une teneur en charge extraordinairement faible se traduit par un remarquable impact non seulement sur les propriétés mécaniques du polymère (Ramanathan et al. [82]_{) mais aussi sur la conductivité électrique et thermique,}

caractéristiques fondamentales pour l'avionique/espace, et les applications de sécurité intérieure. On peut citer différentes applications des composites et encres à base de graphène, à savoir :

 Revêtements de réservoirs de carburant ;

 Polymères avec des capacités de blindage EMI ou RFI ;  Composites pour l’automobiles ;

Page | 38  Boîtiers électroniques ;

 Composites pour la photoniques ;  Composite aérospatial et blindage EMI ;

 Dissipateur de chaleur dans les appareils électriques ;  Articles de sport [59]_.