Le graphène sulfoné est un matériau formé par sulfonation du graphène utilisé dans les réactions chimiques en tant que charge, notamment dans les piles à combustible. Il est également employé pour rendre des tissus antistatiques.
Ses propriétés de nano-adsorption lui donnent une capacité à dépolluer des milieux aqueux, notamment en polluants aromatiques mais également, du fait de la sulfonation, en polluants chargés positivement.
Synthèse
[modifier | modifier le code]Le graphène sulfoné peut être synthétisé de nombreuses manières, dont au moins huit sont envisagées ou mises en œuvre de manière expérimentale[1].
Elle est notamment possible par diazotation à l'aide d'acide sulfanilique[2]. D'autres processus utilisent une méthode assistée par ultrasons avec une préparation des liquides antistatiques, puis un processus conventionnel de trempage-roulage-cuisson pour la finition antistatique[3].
Utilisation
[modifier | modifier le code]Piles à combustibles
[modifier | modifier le code]Le graphène sulfoné est utilisé comme charge, en particulier dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons ; en effet, la capacité du graphène à conduire les protons est amplifiée par la sulfonation, ce qui la rend cinq fois plus efficace que le Nafion[4]. Par ailleurs, un des gros défauts du Nafion est sa perméabilité au méthanol. Le rajout d'une couche de graphène sulfoné à une membrane de Nafion permet d'accroître sa conductivité aux protons tout en bloquant sensiblement mieux le molécules de méthanol ; le matériau présente en outre des caractéristiques intéressantes d'autoréparation[5].
Cette opération de sulfonation permet de résoudre certains problèmes tridimensionnels du graphène, très bons conducteurs de protons dans le plan du graphène mais beaucoup plus limitée hors de ce plan. La sulfonation et le repli des couches de graphène permet de créer un matériau spongieux en forte capacité de rétention de liquides et beaucoup plus conducteur de protons[6].
Textile
[modifier | modifier le code]Le graphène sulfoné est utilisé sur certains vêtements pour les rendre antistatiques[3].
Dépollution
[modifier | modifier le code]De manière générale, le graphène et l'oxyde de graphène sont considérés comme des adsorbants efficaces appropriés pour traiter des pollutions en milieu aqueux, notamment celles en polluants aromatiques. La sulfonation permet plus particulièrement au graphène d'être très adsorbant pour les polluants chargés positivement. Cela est dû en partie à la structure en feuillets du graphène, qui permet de présenter de multiples sites d'adsorption et en conséquence une cinétique d'adsorption rapide ainsi qu'une capacité d'adsorption plus élevée que sous forme de poudre. Par exemple, les valeurs mesurées d'adsorption de bleu de méthylène sont de 906 mg/g, celles de phénanthrène de 400 mg/g, enfin celles d'ions cadmium Cd2+ de 58 mg/g[2].
Notes et références
[modifier | modifier le code]- (en) Nicolas Oger, Yuting F. Lin, Christine Labrugère, Erwan Le Grognec, Franck Rataboul et François-Xavier Felpin, « Practical and scalable synthesis of sulfonated graphene », Carbon, vol. 96, , p. 342-350 (ISSN 0008-6223, DOI 10.1016/j.carbon.2015.09.082, lire en ligne, consulté le ).
- (en) Yi Shen et Baoliang Chen, « Sulfonated graphene nanosheets as a superb adsorbent for various environmental pollutants in water », Environmental Science & Technology, vol. 49, no 12, (ISSN 1520-5851, DOI 10.1021/acs.est.5b01057, lire en ligne, consulté le ).
- (en) Songming Zhao, Min Zheng et Kaixuan Shen, « Ultrasound-assisted preparation of highly dispersion sulfonated graphene and its antistatic properties », The Journal of The Textile Institute, vol. 112, no 1, , p. 30-36 (ISSN 0040-5000, DOI 10.1080/00405000.2020.1746010, lire en ligne, consulté le ).
- (en) Akhila Kumar Sahu, Kriangsak Ketpang, Sangaraju Shanmugam, Osung Kwon, Sangcheol Lee et Hasuck Kim, « Sulfonated graphene-nafion composite membranes for polymer electrolyte fuel cells operating under reduced relative humidity », Journal of Physical Chemistry C, (ISSN 1932-7455, DOI 10.1021/acs.jpcc.5b11674, lire en ligne, consulté le ).
- (en) Wei Wuen Ng, Hui San Thiam, Yean Ling Pang, Yun Seng Lim, Jianhui Wong et Lip Huat Saw, « Self-sustainable, self-healable sulfonated graphene oxide incorporated nafion/poly(vinyl alcohol) proton exchange membrane for direct methanol fuel cell applications », Journal of Environmental Chemical Engineering, , p. 111-151 (ISSN 2213-3437, DOI 10.1016/j.jece.2023.111151, lire en ligne, consulté le ).
- (en) Mohammad Atiqur Rahman, Junya Yagyu, Mohammad Saidul Islam, Masahiro Fukuda, Sora Wakamatsu, Ryuta Tagawa, Zhiqing Feng, Yoshihiro Sekine, Junya Ohyama et Shinya Hayami, « Three-dimensional sulfonated graphene oxide proton exchange membranes for fuel cells », ACS Applied Nano Materials, vol. 6, no 3, , p. 1707–1713 (ISSN 2574-0970, DOI 10.1021/acsanm.2c04631, lire en ligne, consulté le ).
