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Valorization of Petroleum coke into High-Quality Few-Layer Graphene through Liquid-Phase Exfoliation

Cet article présente une méthode non oxydative et évolutive qui convertit la coke de pétrole de faible valeur en nanofeuillets de graphène de haute qualité, à quelques couches, présentant une conductivité et une stabilité élevées, grâce à un prétraitement séquentiel à l'isopropanol, une désulfuration thermique et une exfoliation en phase liquide assistée par le CO₂.

Auteurs originaux : Masfer Alkahtani, Yahya Alzahrani, Abdulmalik Alessa, Abdulaziz Alromaeh, Majed Aljomah, Faisal Alghannam, Fahad Albaqami, Anas Almuqhim, Abdulaziz Aljuwair, Ramu Banavath, Micah Green, Philip Hemmer

Publié 2026-08-14

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Masfer Alkahtani, Yahya Alzahrani, Abdulmalik Alessa, Abdulaziz Alromaeh, Majed Aljomah, Faisal Alghannam, Fahad Albaqami, Anas Almuqhim, Abdulaziz Aljuwair, Ramu Banavath, Micah Green, Philip Hemmer

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

La magie de transformer les déchets en trésors

Imaginez un monde où les choses que nous jetons habituellement ou que nous brûlons comme combustible bon marché pourraient être transformées en le « matériau miracle » du futur. C'est le coin passionnant de la science appelé la science des matériaux, qui se concentre spécifiquement sur le carbone. Le carbone est le bloc de construction de la vie, mais lorsqu'il est disposé selon un motif spécifique et plat en nid d'abeille, il devient du graphène. Considérez le graphène comme une couche unique de grillage de poule faite d'atomes de carbone ; il est incroyablement résistant, léger et conduit l'électricité mieux que presque tout autre chose.

Cependant, fabriquer du graphène est généralement difficile et coûteux. La plupart des méthodes nécessitent de partir de graphite de haute qualité (comme celui des crayons) ou d'utiliser des produits chimiques toxiques et agressifs qui endommagent le matériau. Cet article aborde une question cruciale : pouvons-nous prendre un produit de déchets de faible valeur et « sale » provenant des raffineries de pétrole et le transformer en graphène de haute qualité sans utiliser ces produits chimiques nocifs ? Les auteurs explorent une méthode « verte » pour valoriser le coke de pétrole (un sous-produque noir et dur du raffinage du pétrole) en quelque chose de précieux, prouvant que parfois, les meilleures matières premières se cachent à la vue de tous sous forme de déchets industriels.

Des déchets rocheux aux feuilles brillantes

Dans cette étude, une équipe de chercheurs de l'Arabie saoudite et des États-Unis a décidé de tester une nouvelle recette pour fabriquer du graphène. Au lieu d'utiliser du graphite coûteux ou des acides dangereux, ils sont partis de coke de pétrole (ou « pet coke »). Vous pouvez considérer le pet coke comme la « cendre » laissée après que les raffineries ont traité le pétrole brut lourd. Habituellement, ce matériau est simplement brûlé comme combustible ou utilisé dans la fabrication de l'acier, mais les chercheurs y ont vu un potentiel bien plus cool.

Leur objectif était de transformer ce déchet rocheux et chargé de soufre en graphène multicouche — ce qui est essentiellement un empilement de seulement quelques feuilles du super-matériau, plutôt qu'une seule feuille parfaite. Pour ce faire, ils ont développé un processus en trois étapes qui évite les méthodes habituelles d'« oxydation » (brûler avec de l'oxygène) qui endommagent souvent la structure du graphène.

Étape 1 : Le traitement au spa
D'abord, ils ont donné un bain au pet coke. Ils ont broyé les roches en morceaux minuscules (plus petits que 90 micromètres) et les ont lavés avec de l'isopropanol chaud (la même substance que l'on trouve dans l'alcool à friction). Imaginez cela comme le fait de frotter une éponge sale pour retirer toute la graisse et le goudron collés à l'extérieur. Cette étape a nettoyé la surface et a préparé les particules à recevoir le traitement suivant.

Étape 2 : Le four à air chaud
Ensuite, ils ont placé le pet coke propre dans un four spécial rempli de gaz argon (un gaz inerte qui ne réagit avec rien) et l'ont chauffé à une température de 1400 °C. Il ne s'agissait pas seulement de le rendre chaud ; il s'agissait de « réorganiser » les atomes à l'intérieur. La chaleur a agi comme un sculpteur, lissant la structure de carbone désordonnée et éliminant le soufre (un élément malodorant et nocif) ainsi que d'autres impuretés. Après cette étape, le matériau était beaucoup plus ordonné, ressemblant davantage à la structure parfaite en nid d'abeille nécessaire pour le graphène. Les chercheurs ont constaté que ce traitement thermique augmentait la pureté du carbone à 96,6 % en poids et éliminait environ 76 % du soufre.

Étape 3 : L'explosion bouillonnante
Enfin, ils ont pris ce carbone super chauffé et propre et l'ont placé dans un mélange liquide d'isopropanol et d'eau saturé en CO₂ (dioxyde de carbone). Ils l'ont ensuite bombardé d'ondes sonores à l'aide d'une machine appelée sonicateur pendant 10 à 12 heures. Vous pouvez imaginer cela comme le fait de secouer très fort une bouteille de soda. Les bulles de CO₂ ont créé de minuscules explosions (appelées cavitation) dans le liquide. Ces explosions microscopiques ont écarté les couches de carbone, les décollant comme les pages d'un livre, transformant les blocs solides en fines feuilles flottantes de graphène.

Ce qu'ils ont trouvé

Les résultats étaient impressionnants. L'équipe a réussi à transformer le pet coke sale en graphène multicouche qui comporte principalement 3 à 5 couches d'épaisseur. Ils ont utilisé divers microscopes et tests pour prouver que cela fonctionnait :

Contrôle de qualité : Lorsqu'ils ont observé le matériau avec un laser (spectroscopie Raman), les signaux ont montré que le graphène était bien ordonné et présentait très peu de défauts. Le rapport entre les signaux « bons » et les signaux « mauvais » s'est considérablement amélioré, montrant que le processus a créé un matériau de haute qualité.
La taille compte : En utilisant un microscope ultra-sensible appelé microscope à force atomique (AFM), ils ont compté les flocons. Ils ont découvert que 93,5 % des minuscules flocons étaient plus petits que 0,6 µm de largeur, ce qui signifie qu'ils ont réussi à diviser le matériau en pièces très petites et utilisables.
Stabilité : Ils ont mélangé le graphène dans un liquide et l'ont observé pendant six mois. Il ne s'est pas déposé et ne s'est pas aggloméré, restant stable comme une peinture bien mélangée. Cela est crucial car si le graphène tombe hors du liquide, il ne peut pas être utilisé pour fabriquer des encres ou des revêtements.
Électricité : Lorsqu'ils ont séché le graphène sous forme de film, celui-ci a très bien conduit l'électricité. Sans chauffage supplémentaire, le film avait une conductivité de 165 S m⁻¹. Mais, s'ils chauffaient à nouveau le film dans le four (recuit) à 1400 °C, la conductivité bondissait à 872 S m⁻¹. C'est un chiffre très élevé, ce qui signifie que l'électricité circule à travers lui presque aussi facilement qu'à travers certains métaux.

Pourquoi cela importe

Les chercheurs ont démontré que cette méthode n'est pas un cas isolé. Ils ont testé cette technique sur d'autres déchets comme l'asphaltène (un autre sous-produit du pétrole), le marc de café usagé et le biochar (charbon issu de plantes). Dans chaque cas, la même recette « laver, chauffer et faire buller » a transformé ces différents déchets en feuilles de type graphène.

Cet article suggère que nous n'avons pas besoin de compter sur le graphite de haute pureté et coûteux pour fabriquer du graphène. Au lieu de cela, nous pouvons prendre des déchets industriels bon marché, abondants et souvent problématiques comme le pet coke et les transformer en un matériau de haute technologie. En évitant les produits chimiques agressifs et en utilisant un processus évolutif, ils ont ouvert une porte pour rendre le graphène moins cher et plus durable. Bien que le processus nécessite encore une chaleur et une énergie élevées, la capacité de transformer un carburant de faible valeur en un matériau valant des milliers de dollars la tonne offre une voie prometteuse pour l'avenir du stockage de l'énergie, des revêtements conducteurs et de l'électronique.

Résumé technique : Valorisation de la coke de pétrole en graphène de haute qualité à quelques couches

Problématique
La coke de pétrole (coke de pétrole) est un sous-produit riche en carbone et de faible valeur issu du raffinage du pétrole, traditionnellement utilisé comme combustible ou source de carbone métallurgique. Ses applications actuelles génèrent un profit économique minimal et posent des risques environnementaux en raison de la teneur en soufre, en hétéroatomes et des émissions de métaux traces lors de la combustion. Bien que la conversion de la coke de pétrole en graphène à haute valeur ajoutée offre une voie de valorisation des déchets de carbone, les méthodes de synthèse existantes se heurtent à des obstacles importants. Les approches conventionnelles, telles que la méthode de Hummers (oxydation-réduction), introduisent des défauts qui dégradent la conductivité électrique et nécessitent des produits chimiques agressifs. L'exfoliation mécanique manque de scalabilité, et les méthodes électrochimiques souffrent souvent de faibles rendements (~1,6 %) et d'exigences de purification complexes. L'exfoliation en phase liquide (LPE) repose généralement sur des solvants toxiques à point d'ébullition élevé comme le NMP ou le DMF. Il existe un besoin critique pour une voie respectueuse de l'environnement, non oxydante et évolutive pour produire du graphène de haute qualité à quelques couches à partir de coke de pétrole à bas coût.

Méthodologie
Les auteurs proposent une stratégie évolutive et sans oxydation comprenant trois étapes séquentielles pour convertir la coke de pétrole de qualité combustible en graphène conducteur à quelques couches (FLG) :

Prétraitement à l'isopropanol (IPA) : La coke de pétrole brute est broyée (<90 µm) et lavée avec de l'IPA chaud. Cette étape élimine les impuretés hydrocarbonées, les résidus de goudron et les contaminants de surface, améliorant ainsi l'humidification des particules de carbone et préparant leur graphitisation.
Désulfuration thermique et activation : La coke prétraitée subit un recuit thermique sous atmosphère inerte d'argon. Le processus implique un protocole de chauffage en deux étapes : une carbonisation à 500 °C suivie d'un recuit à haute température jusqu'à 1400 °C. Cette étape favorise l'ordre graphitique, élimine le soufre et autres hétéroatomes, et augmente le degré de graphitisation.
Exfoliation en phase liquide assistée par le CO₂ : La coke thermiquement activée est dispersée dans un mélange de solvants composé d'IPA et d'eau saturée en CO₂ (optimisé à un ratio volumique de 1:1). Le mélange est soumis à une sonication par ultrasons (500 W) pendant 10 à 12 heures. La saturation en CO₂ améliore la cavitation acoustique, facilitant le délamination des couches graphitiques, tandis que l'IPA stabilise les nanofeuillets résultants.

Après l'exfoliation, la suspension subit une centrifugation légère (500 rpm, 3 minutes) pour éliminer le matériau massif non exfolié, enrichissant la dispersion en nanofeuillets de quelques couches.

Contributions clés et résultats

Transformation structurelle : L'analyse par diffraction des rayons X (DRX) a révélé que le recuit thermique à 1400 °C a déplacé le pic (002) de 25,36° à 26,41°, réduisant l'espacement interfoliaire de 0,351 nm à 0,337 nm. Cela correspond à un degré de graphitisation calculé d'environ 78 %.
Purification : L'analyse élémentaire (EDS) a démontré une réduction significative des impuretés. La teneur en carbone est passée de 81,4 % en masse à 96,6 %, tandis que la teneur en soufre a diminué de 8,78 % à 2,1 % (une réduction d'environ 76 %), désulfurant efficacement la charge d'alimentation sans oxydants chimiques forts.
Efficacité de l'exfoliation : La spectroscopie Raman a indiqué une amélioration marquée de la qualité du graphène. Le rapport $I_{2D}/I_G$ est passé de 0,28 (coke brute) à 0,67 (coke recuite à 1400 °C), tandis que le rapport $I_D/I_G$ a diminué de 1,12 à 0,60, signifiant une réduction du désordre structurel et une formation réussie de feuillets de quelques couches.
Morphologie et dimensions : La microscopie (MEB, MET, HRTEM et AFM) a confirmé la formation de nanofeuillets ondulés de type plaquettes. Les profils de hauteur HRTEM et AFM indiquent que les feuillets sont constitués de 3 à 5 couches avec une épaisseur de 5 à 7 nm. L'analyse statistique des images AFM a montré que 93,5 % des nanofeuillets détectés avaient des dimensions latérales inférieures à 0,6 µm.
Stabilité de la dispersion : Les dispersions de graphène résultantes dans un solvant eau-éthanol ont présenté une stabilité allant jusqu'à six mois, avec un potentiel zêta d'environ −25 mV et aucune dégradation chimique ou réagrégation observable.
Performance électrique : La conductivité électrique des films de graphène dérivés a été évaluée sous diverses conditions de traitement :
- Films déposés par goutte à goutte (sans recuit) : 165 S m⁻¹.
- Buckypaper filtré sous vide : 365 S m⁻¹.
- Buckypaper filtré sous vide et recuit à 1400 °C : 872 S m⁻¹.
  Ces valeurs sont compétitives et, dans certains cas, supérieures aux films de graphène dérivés de graphite commercial ou aux méthodes précédemment rapportées pour la coke, particulièrement compte tenu de l'absence de recuit post-film lors de l'étape initiale du buckypaper.

Signification et portée
Cet article établit la coke de pétrole comme une ressource de carbone viable et à bas coût pour la production durable de graphène de haute qualité à quelques couches. La principale signification de ce travail réside dans la démonstration d'une voie non oxydante et évolutive qui transforme les déchets de raffinerie en matériaux à haute valeur ajoutée, adaptés au stockage d'énergie, aux revêtements conducteurs et aux composites.

Les auteurs soulignent la polyvalence de ce protocole sans oxydation, notant qu'il a été appliqué avec succès à d'autres matières premières carbonées, notamment le graphite, l'asphaltene, le marc de café et le biochar. Bien que l'étude se concentre sur la faisabilité technique et les mesures de performance du graphène produit, elle positionne la méthode comme une solution pratique pour étendre l'économie du graphène en utilisant des ressources de carbone sous-utilisées et à faible coût. Ce travail ne prétend pas avoir résolu tous les défis de mise à l'échelle, mais fournit une voie éprouvée pour convertir la coke de pétrole de faible valeur en matériaux présentant des caractéristiques de performance comparables à celles dérivées de précurseurs de graphite coûteux.

La magie de transformer les déchets en trésors

Des déchets rocheux aux feuilles brillantes

Ce qu'ils ont trouvé

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