A síntese do grafeno envolve essencialmente dois métodos: uma abordagem "descendente" e uma abordagem "ascendente".
O método "top-down" envolve a esfoliação mecânica da grafite.
A abordagem "de baixo para cima" centra-se na deposição química de vapor (CVD).
A CVD é particularmente notável pela sua capacidade de produzir películas de grafeno de alta qualidade e de grande área, adequadas para aplicações industriais.
Quais são os métodos de síntese do grafeno? 5 abordagens principais explicadas
1. Abordagem de cima para baixo: Esfoliação mecânica
O método top-down, exemplificado pela esfoliação mecânica, envolve a separação de camadas de grafeno da grafite a granel.
Esta técnica foi demonstrada pela primeira vez por Geim e Novoselov em 2004.
Embora este método seja útil para a investigação fundamental devido à elevada qualidade do grafeno resultante, não é escalável para a produção em grande escala devido à sua natureza de mão de obra intensiva e à pequena dimensão dos flocos de grafeno produzidos.
2. Abordagem ascendente - Deposição em fase vapor por processo químico (CVD)
A CVD é atualmente a técnica mais promissora para sintetizar grafeno de alta qualidade em grande escala.
O processo envolve normalmente a decomposição de um gás hidrocarboneto (como o metano) numa superfície de catalisador metálico, como o cobre ou o níquel, a altas temperaturas.
Os átomos de carbono do gás decomposto difundem-se então no metal e precipitam-se como grafeno na superfície durante o processo de arrefecimento.
2.1 Substrato de níquel
No caso do níquel, a temperatura elevada permite que os átomos de carbono se difundam para o interior do níquel.
Após o arrefecimento, estes átomos de carbono migram para a superfície e formam grafeno.
Este método é eficaz, mas pode resultar na formação de grafeno multicamada e requer um controlo preciso da taxa de arrefecimento para otimizar a qualidade e a espessura da camada de grafeno.
2.2 Substrato de cobre
O cobre é mais comummente utilizado porque favorece a formação de grafeno de camada única.
O processo CVD que utiliza substratos de cobre envolve a decomposição do metano na superfície do cobre, onde os átomos de carbono se dissolvem no cobre e depois se segregam para formar grafeno após o arrefecimento.
Este método, iniciado por Li et al. em 2009, foi industrializado para a produção em grande escala de películas de grafeno.
3. Produção em massa e em grandes áreas
O método CVD foi optimizado para a produção em massa e em grandes áreas através de técnicas como os processos "batch-to-batch" (B2B) e "roll-to-roll" (R2R).
O processo B2B envolve o empilhamento ou laminação de folhas de cobre para aumentar o rendimento da produção.
O processo R2R melhora a automatização e a escalabilidade, permitindo a produção de películas de grafeno de comprimento virtualmente ilimitado.
4. Aplicações e mercado
Enquanto o método descendente produz principalmente pós e nanopartículas de grafeno utilizados em várias aplicações não electrónicas, o grafeno cultivado por CVD está mais ligado às aplicações electrónicas devido à sua qualidade superior e à sua maior escala.
Prevê-se que o mercado do grafeno, sobretudo sob a forma de pós e nanopartículas, cresça significativamente, com receitas potenciais superiores a 600 milhões de dólares na próxima década.
5. Relevância industrial da CVD
Em resumo, a síntese de grafeno envolve métodos descendentes e ascendentes, sendo a CVD o mais relevante do ponto de vista industrial devido à sua escalabilidade e à elevada qualidade do grafeno produzido.
Este método é crucial para satisfazer a procura crescente de grafeno em várias aplicações de alta tecnologia.
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