La síntesis del grafeno se basa principalmente en dos métodos: uno "descendente" y otro "ascendente".
El método "descendente" consiste en la exfoliación mecánica del grafito.
El método "ascendente" se centra en la deposición química en fase vapor (CVD).
El CVD destaca sobre todo por su capacidad para producir películas de grafeno de gran superficie y alta calidad adecuadas para aplicaciones industriales.
¿Cuáles son los métodos sintéticos del grafeno? Explicación de los 5 métodos principales
1. Enfoque descendente: Exfoliación mecánica
El método descendente, ejemplificado por la exfoliación mecánica, consiste en separar las capas de grafeno del grafito en bruto.
Esta técnica fue demostrada por primera vez por Geim y Novoselov en 2004.
Aunque este método es útil para la investigación fundamental debido a la alta calidad del grafeno resultante, no es escalable para la producción a gran escala debido a su naturaleza intensiva en mano de obra y al pequeño tamaño de los copos de grafeno producidos.
2. Enfoque ascendente: deposición química en fase vapor (CVD)
El CVD es actualmente la técnica más prometedora para sintetizar grafeno de alta calidad a gran escala.
El proceso suele consistir en la descomposición de un hidrocarburo gaseoso (como el metano) en la superficie de un catalizador metálico, como el cobre o el níquel, a altas temperaturas.
Los átomos de carbono del gas descompuesto se difunden en el metal y precipitan como grafeno en la superficie durante el proceso de enfriamiento.
2.1 Sustrato de níquel
En el caso del níquel, la alta temperatura permite que los átomos de carbono se difundan en su interior.
Al enfriarse, estos átomos de carbono migran a la superficie y forman grafeno.
Este método es eficaz, pero puede dar lugar a la formación de grafeno multicapa y requiere un control preciso de la velocidad de enfriamiento para optimizar la calidad y el grosor de la capa de grafeno.
2.2 Sustrato de cobre
El cobre es el sustrato más utilizado, ya que favorece la formación de grafeno monocapa.
El proceso de CVD que utiliza sustratos de cobre implica la descomposición de metano en la superficie de cobre, donde los átomos de carbono se disuelven en el cobre y luego se segregan para formar grafeno al enfriarse.
Este método, del que Li et al. fueron pioneros en 2009, se ha industrializado para la producción a gran escala de películas de grafeno.
3. Producción en masa y a gran escala
El método CVD se ha optimizado aún más para la producción masiva y de gran superficie mediante técnicas como los procesos lote a lote (B2B) y rollo a rollo (R2R).
El proceso B2B consiste en apilar o enrollar láminas de cobre para aumentar el rendimiento de la producción.
El proceso R2R mejora la automatización y la escalabilidad, permitiendo la producción de películas de grafeno de longitud prácticamente ilimitada.
4. Aplicaciones y mercado
Mientras que el método top-down produce principalmente polvos y nanopartículas de grafeno que se utilizan en diversas aplicaciones no electrónicas, el grafeno obtenido por CVD está más orientado a las aplicaciones electrónicas debido a su calidad superior y a su mayor escala.
Se espera que el mercado del grafeno, sobre todo en forma de polvos y nanopartículas, crezca significativamente, con unos ingresos potenciales superiores a los 600 millones de dólares en la próxima década.
5. Relevancia industrial del CVD
En resumen, la síntesis del grafeno implica tanto métodos descendentes como ascendentes, siendo el CVD el más relevante desde el punto de vista industrial debido a su escalabilidad y a la alta calidad del grafeno producido.
Este método es crucial para satisfacer la creciente demanda de grafeno en diversas aplicaciones de alta tecnología.
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