Grafeno: aplicaciones y desafíos de la síntesis a gran escala
DOI:
https://doi.org/10.24933/e-usf.v9i1.464Palabras clave:
Síntesis de grafeno, Nanomateriales, Métodos de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba, Producción de grafeno a gran escala, PECVD, Aplicaciones del grafeno, Desafíos en la escalabilidad del grafenoResumen
Las aplicaciones del grafeno son cada vez más amplias y la demanda de este material bidimensional con propiedades notables sólo aumentará. Es un nanomaterial con el espesor de un átomo, alótropo del carbono e hibridado en sp2, donde cada átomo forma tres enlaces y forma una estructura hexagonal, compuesta por dos dimensiones. Este trabajo abordó los principales métodos de síntesis de grafeno, separados por mecanismos de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba. Se realizó una revisión bibliográfica sistemática de artículos científicos sobre síntesis de grafeno con el objetivo de encontrar los métodos más adecuados para la síntesis a gran escala. Se evaluaron sus diversas características, como escalabilidad, eficiencia, sostenibilidad económica y ambiental. También se estudió la aplicación de cada tipo de grafeno, producido mediante diferentes métodos. El grafeno se puede exfoliar físicamente a partir del grafito, mientras que las espumas de grafeno se pueden obtener mediante exfoliación asistida por microondas, el óxido de grafeno se forma mediante exfoliación química, los copos de grafeno se sintetizan mediante calentamiento instantáneo Joule y se generan películas de grafeno de pocas capas de alta calidad mediante deposición química de vapor. Se concluyó que el método más adecuado para la síntesis de grafeno a gran escala es actualmente el PECVD, capaz de formar películas monocapa de grafeno puro con una gran área. Se debatió la viabilidad de otros métodos y se plantearon preguntas sobre su aplicabilidad, utilidad y eficiencia, y sobre los desafíos aún existentes respecto a la escalabilidad de los métodos presentados.
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BOKOBZA, L., BRUNEEL, J.-L. & COUZI, M. Raman spectra of carbon-based materials (from graphite to carbon black) and of some silicone composites. J. Carbon Res. 1, 77–94, 2015.
CAO, Y.; FATEMI, V.; FANG, S.; WATANABE, K.; TANIGUCHI, T.; KAXIRAS, E.;
CETESB. Ficha de Informação de Produto Químico. Disponível em: https://sistemasinter.cetesb.sp.gov.br/produtos/ficha_completa1.asp?consulta=ÁCIDO%20CLOROSSULFÔNICO. Acesso em outubro de 2024.
CHEN, X.; ZHANG, L.; CHEN, S. Large area CVD growth of graphene. Synthetic Metals, Volume 210, Part A, Pages 95-108, 2015.
CLEGG, B. The Graphene Revolution: The Weird Science of the Ultra-thin. Icon Books, 2018.
EREŠ, Z.; HRABAR, S. Low-cost synthesis of high-quality graphene in do-it-yourself CVD reactor. Automatika, Volume 59 - Issue 3-4, 2018.
FARMANI, Z.; VETERE, A.; PFÄNDER, N.; LEHMANN, C. W.; SCHRADER, W. Naturally Occurring Allotropes of Carbon. ACS Publications. DOI: 10.1021/acs.analchem.3c04662. 2024.
GIAMELLO, E.; PISANI, C.; RICCA, F.; ROETTI, C. Calculated band structure of rare gases adsorbed on graphite. Surface Science, Volume 49, Issue 2, Pages 401-416, ISSN 0039-6028, 1975.
HONE, J.; MARTEL, R.; BARMAK, K. et al. Reproducible graphene synthesis by oxygen-free chemical vapour deposition. Nature, 630, Pages 636–642, 2024.
JAROSZ, A.; SKODA, M.; DUDEK, I.; SZUKIEWICZ, D. Oxidative Stress and Mitochondrial Activation as the Main Mechanisms Underlying Graphene Toxicity against Human Cancer Cells. Hindawi Publishing Corporation, 2015.
KANG, J.; KO, Y.; KIM, J. P. et al. Microwave-assisted design of nanoporous graphene membrane for ultrafast and switchable organic solvent nanofiltration. Nat Commun 14, 901, 2023.
KIM, Y. et al. Low-temperature synthesis of graphene on nickel foil by microwave plasma chemical vapor deposition. AIP Publishing. Applied Physics Letters, 2011.
KUMAR, A.; DAR, M. A.; GUL, R.; BAEK, J. B. Graphene and molybdenum disulfide hybrids: Synthesis and applications. Materials Today, Volume 18, pp. 286-298, 2015.
KUMAR, A.; SHARMA, K.; DIXIT, A. R. (2019) A review of the mechanical and thermal properties of graphene and its hybrid polymer nanocomposites for structural applications. J Mater Sci 54(8):5992–6026, 2019.
KUMAR, A.; LIM, H. An overview of water electrolysis technologies for green hydrogen production. Energy Reports, Vol. 8, Pg. 13793-13813, 2022.
LAISSARDIÈRE, G. T. et al. Numerical analysis of electronic conductivity in graphene with resonant adsorbates: comparison of monolayer and Bernal bilayer. The European Physical Journal B, Vol. 90, Art. Nº 75, 2017.
LEE, C.; WEI, X.; KYSAR, J. W.; HONE, J. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science, v. 321, n. 5887, p. 385-388, 2008.
LI, X. et al. Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils. Science. Vol. 324, Nº 5932, 2009.
LIU, S.; LU, W. et al. High-yield, large-scale production of few-layer graphene flakes within seconds: Using chlorosulfonic acid and H2O2 as exfoliating agents. Royal Society of Chemistry, Journal of Materials: Chemistry, Issue 18, 2012.
MBAYACHI, V. B. et al. Graphene synthesis, characterization and its applications: A review. Results Chem., Volume 3, Article 100163, 2021.
MERMIN, N. D. Crystalline Order in Two Dimensions. American Physical Society, 1968.
MOOSA, A. A.; ABED, M. S. Graphene preparation and graphite exfoliation. Turkish Journal of Chemistry, 2021.
PALLE, G.; SUNKO, D.K. Physical Limitations of the Hohenberg–Mermin–Wagner Theorem. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 2021.
PEIERLS, R. E. Quantum Theory of Solids. Clarendon Press, 1955.
RAO, C. N. R.; RAMAKRISHNA, M. H. S. S.; MAITRA, U. Graphene analogues of inorganic layered materials. Angew. Chem., Int. Ed. 52, pp. 13162-13185, 2013.
REINA A. et al. Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition. ACS Publications. Nano Letters, Vol 9/Issue 1, 2008.
SHAMS, S. S.; ZHANG, R. Graphene synthesis: A Review. Materials Science – Poland, 2015.
SHEN, Z.; YI, M. A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene. Royal Society of Chemistry, Journal of Materials – Chemistry A, Issue 22, 2015.
SKORUPSKA, M.; ILNICKA, A.; LUKASZEWICZ, J. P. N-doped graphene foam obtained by microwave-assisted exfoliation of graphite. Nature, Scientific Reports 11, Article Number: 2044, 2021.
SRIVASTAV, A. K.; TIWARY, C. S.; TOUR, J. M.; HUSSAIN, C. M. Graphene Extraction from Waste: A Sustainable Synthesis Approach for Graphene and Its Derivatives. Elsevier Science, 2023.
TEOBALDI, G.; OHNISHI, H.; TANIMURA, K.; SHLUGER, A. L. The effect of van der Waals interactions on the properties of intrinsic defects in graphite. Carbon, Volume 48, Issue 14, 4145-4161, 2010.
TOUR, J. M. et al. Flash Graphene from Plastic Waste. American Chemical Society, ACS Nano, Vol 14/Issue 11, 2020.
TOUR, J. M. et al. Large-Scale Syntheses of 2D Materials: Flash Joule Heating and Other Methods. Wiley, Advanced Materials, Volume 34, Issue 8, 2021.
TOUR, J. M. et al. Upcycling end-of-life vehicle waste plastic into flash graphene. Nature, Communications Engineering 1, Art. Nº 3, 2022.
TOUR, J. M.; YAKOBSON, B. I. et al. Synthesis of Clean Hydrogen Gas from Waste Plastic at Zero Net Cost. Wiley, Advanced Materials, Volume 35, Issue 48, 2023.
ULLAH, Z. et al. A comparative study of graphene growth by APCVD, LPCVD and PECVD. Materials Research Express, Issue 3, Vol. 5, Art. 035606, 2018.
VARZAKAS, T.; TZIA, C. Handbook of food processing: food preservation. CRC Press LLC, 2015.
VIEIRA, J. E. D. Segundo; VILAR, E. O. Grafeno: Uma revisão sobre propriedades,
mecanismos de produção e potenciais aplicações em sistemas energéticos. Revista
Eletrônica de Materiais e Processos, v. 11, n. 2, p. 54-57, 2016.
WALLACE, P. R. The band theory of graphite. National Research Council of Canada, 1946.
XU, X. et al. Towards growth of pure AB-stacked bilayer graphene single crystals. Nano Research, Vol. 17, Pg. 4616–4621, 2024.
YEE, L. L. et al. Review on graphene and its derivatives: Synthesis methods and potential industrial implementation. Journal of Taiwan Institute of Chemical Engineers, Vol. 98, pg. 163-180, 2019.
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