La sintesi del grafene prevede principalmente due metodi: un approccio "top-down" e un approccio "bottom-up".
Il metodo "top-down" prevede l'esfoliazione meccanica della grafite.
L'approccio "bottom-up" si concentra sulla deposizione chimica da vapore (CVD).
La CVD si distingue in particolare per la sua capacità di produrre film di grafene di alta qualità e di grande superficie, adatti alle applicazioni industriali.
Quali sono i metodi di sintesi del grafene? 5 approcci chiave spiegati
1. Approccio top-down: Esfoliazione meccanica
Il metodo top-down, esemplificato dall'esfoliazione meccanica, prevede la separazione degli strati di grafene dalla grafite sfusa.
Questa tecnica è stata dimostrata per la prima volta da Geim e Novoselov nel 2004.
Sebbene questo metodo sia utile per la ricerca fondamentale grazie all'alta qualità del grafene ottenuto, non è scalabile per la produzione su larga scala a causa della sua natura ad alta intensità di lavoro e delle piccole dimensioni dei fiocchi di grafene prodotti.
2. Approccio dal basso verso l'alto - Deposizione chimica da vapore (CVD)
La CVD è attualmente la tecnica più promettente per sintetizzare grafene di alta qualità su larga scala.
Il processo prevede tipicamente la decomposizione di un idrocarburo gassoso (come il metano) sulla superficie di un catalizzatore metallico, come il rame o il nichel, ad alte temperature.
Gli atomi di carbonio del gas decomposto si diffondono quindi nel metallo e precipitano come grafene sulla superficie durante il processo di raffreddamento.
2.1 Substrato di nichel
Nel caso del nichel, l'alta temperatura permette agli atomi di carbonio di diffondersi nel nichel.
Al raffreddamento, questi atomi di carbonio migrano verso la superficie e formano il grafene.
Questo metodo è efficace ma può portare alla formazione di grafene multistrato e richiede un controllo preciso della velocità di raffreddamento per ottimizzare la qualità e lo spessore dello strato di grafene.
2.2 Substrato di rame
Il rame è più comunemente utilizzato perché favorisce la formazione di grafene monostrato.
Il processo CVD che utilizza substrati di rame prevede la decomposizione del metano sulla superficie del rame, dove gli atomi di carbonio si dissolvono nel rame e poi si separano per formare il grafene al momento del raffreddamento.
Questo metodo, sperimentato da Li et al. nel 2009, è stato industrializzato per la produzione su larga scala di film di grafene.
3. Produzione di massa e su larga scala
Il metodo CVD è stato ulteriormente ottimizzato per la produzione su larga scala e di massa attraverso tecniche come i processi batch-to-batch (B2B) e roll-to-roll (R2R).
Il processo B2B prevede l'impilamento o la laminazione di fogli di rame per aumentare la produttività.
Il processo R2R migliora l'automazione e la scalabilità, consentendo la produzione di film di grafene di lunghezza virtualmente illimitata.
4. Applicazioni e mercato
Mentre il metodo top-down produce principalmente polveri e nanoparticelle di grafene utilizzate in varie applicazioni non elettroniche, il grafene coltivato mediante CVD è più allineato con le applicazioni elettroniche grazie alla sua qualità superiore e alla scala più ampia.
Il mercato del grafene, in particolare sotto forma di polveri e nanoparticelle, è destinato a crescere in modo significativo, con un fatturato potenziale superiore a 600 milioni di dollari nel prossimo decennio.
5. Rilevanza industriale della CVD
In sintesi, la sintesi del grafene coinvolge sia metodi top-down che bottom-up, con la CVD che è la più rilevante a livello industriale grazie alla sua scalabilità e all'alta qualità del grafene prodotto.
Questo metodo è fondamentale per soddisfare la crescente domanda di grafene in varie applicazioni high-tech.
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