WO2013093358A1 - Procede de production d'un assemblage de nanotubes de carbone et de graphene - Google Patents

Procede de production d'un assemblage de nanotubes de carbone et de graphene Download PDF

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WO2013093358A1
WO2013093358A1 PCT/FR2012/053024 FR2012053024W WO2013093358A1 WO 2013093358 A1 WO2013093358 A1 WO 2013093358A1 FR 2012053024 W FR2012053024 W FR 2012053024W WO 2013093358 A1 WO2013093358 A1 WO 2013093358A1
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WO
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catalyst
graphene
carbon nanotubes
assembly
carbon
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/053024
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Inventor
Julien Beausoleil
Philippe Serp
Revathi BACSA
Brigitte Caussat
Original Assignee
Arkema France
Intitut National Polytechnique De Toulouse
Centre National De La Recherche Scientifique
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Publication date
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
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    • C01B32/184—Preparation
    • C01B32/186—Preparation by chemical vapour deposition [CVD]

Definitions

  • the present invention relates to the synthesis of mixtures of carbon nanotubes and graphene, and more particularly relates to a co ⁇ production process of carbon nanotubes and graphene in the form of an assembly according to a chemical vapor deposition process in the presence of a catalyst comprising a mixture of an active catalyst A. for the synthesis of carbon nanotubes and an active catalyst B for the synthesis of graphene.
  • Carbon nanotubes have the advantage of conferring improved mechanical properties and electrical and / or thermal conduction properties on any composite material containing them, at least equal to those of powdered carbon black, at lower levels. . Their good mechanical properties and in particular eiongation resistance are related in part to their very high aspect ratios (length / diameter).
  • CNTs have particular crystalline structures, tubular and hollow, obtained from carbon.
  • the NTGs generally consist of one or more graphite sheets arranged concentrically around a longitudinal axis.
  • SWNTs single-walled nanotubes
  • WNT multiwall nanotubes
  • the carbon nanotubes usually have a mean diameter ranging from 0.1 to 200 nm, and advantageously a length of more than 0.1 ⁇ m.
  • their length / diameter ratio is advantageously greater than 10 and most often greater than 100.
  • NTC can be implemented by various processes, such as electrical discharge, laser ablation, chemical deposition in phase steam (abbreviated CVD) or physical vapor deposition (abbreviated PVD).
  • CVD chemical deposition in phase steam
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • This process involves injecting a source of carbon-rich gas into a reactor containing a high temperature metal catalyst.
  • the gas source decomposes into graphitic plane NTC and hydrogen.
  • the catalyst consists of a catalytic metal supported by a solid substrate in the form of grains and chemically inert with respect to the supported metal and with respect to the reactive gases used for the synthesis of CNTs.
  • metals used for the catalyst is generally used, iron IE Fe, cobalt Co, nickel Ni, molybdenum Mo and As solid substrates supporting If catalytic metal include, in particular alumina, fa silica or magnesia .
  • the gaseous carbon sources generally used are an alkane such as methane, ethane, butane, propane, or an alkene such as ethylene, or an alkyne such as acetylene, or benzene or an alcohol such as methanol, ethanol, alone or in mixture.
  • an alkane such as methane, ethane, butane, propane, or an alkene such as ethylene, or an alkyne such as acetylene, or benzene or an alcohol such as methanol, ethanol, alone or in mixture.
  • the temperatures are usually in Its range 45Q C C to 1500 ° C.
  • Graphene is a material that was first isolated in 2004 and has since been manufactured on an industrial scale. Graphene consists of isolated and individualized graphite sheets, but very often graphene is called assemblies comprising between a sheet and a few tens of sheets and having a flat or more or less wavy structure. The winding of one or more sheets of graphene coaxially gives rise to the carbon nanotubes (respectively, single-walled and multi-walled), while the turbostratic stack of these sheets is a nanofil carbon.
  • CVD chemical vapor deposition
  • Her Applicant has proposed a method for easily integrating a mixture of carbon nanotubes and graphene in various thermopiastical and / or elastomeric polymer compositions.
  • This method consists in a first step of mixing CNTs, graphene and a polymer, for example in a compounding device, and then converting this mixture into solid physical form agglomerated.
  • a synergistic effect between carbon nanotubes and graphene to achieve better electrical and thermal conductivities than CNTs alone to any composite material containing them.
  • the presence of graphene provides a lubricating function, which can reduce the viscosity of the mixtures and therefore the energy consumed at compounding,
  • Chemical vapor deposition (CVD) synthesis is a recently explored technique for preparing NTC / GP mixtures.
  • the catalyst then used to decompose the hydrocarbon is deposited on a yeast substrate, for example iron particles on graphene film, nickel film on TiN or Si particles on copper sheets (V. Jousseaume et al. Appl Phys Lett, 2011, 98, 123103, X. Dong et al., Carbon, 2011 49, 2944).
  • the present inventors have found that it is possible to prepare, in a single step, NTC / GP and controlled NTC / GP connections, according to the chemical vapor deposition technique, in the presence of a mixture of catalysts which are under form of powder, and therefore compatible with the technology of fluidized bed reactors.
  • the present invention therefore aims to provide a simple method, easily adapting to existing manufacturing devices in the CNT industry, to co-produce carbon nanotubes and graphene in the form of assemblies.
  • the subject of the invention is a process for producing an assembly of carbon nanotubes and graphene by decomposition at high temperature of a carbon source in the gaseous state, characterized in that the carbon source is contacted with a catalyst comprising a mixture of an active catalyst A for the synthesis of carbon nanotubes and a solid catalyst B in the divided state in the form of unsupported free particles on an inert material, active for the graphene synthesis.
  • graphene GP
  • graphene GP
  • GP graphene
  • Each graphene sheet is formed of carbon atoms bonded to each other by sp 2 type DC bonds and forming a two-dimensional hexagonal lattice.
  • the graphene according to the invention is in the form of solid particles of nanometric size having a thickness of less than 15 nm and at least one lateral dimension substantially perpendicular to said thickness of between 0.1 ⁇ m and 500 ⁇ m. and comprising from 1 to 50 sheets, said sheets being capable of being detached from each other in the form of independent sheets, for example during treatment with ultrasound.
  • the carbon nanotubes (CNTs) according to the invention have a mean diameter ranging from 0.1 to 200 nm, preferably from 0.1 to 00 nm, and advantageously a length of more than 0.1 ⁇ m and advantageously from 0.1 to 20 ⁇ m. Their length / diameter ratio is advantageously greater than 10 and most often greater than 100.
  • These are single-walled or multi-walled carbon nanotubes, advantageously multi-wall CNTs comprising, for example, from 5 to 15 walls.
  • the method for producing an assembly of carbon nanotubes and graphene according to the invention comprises at least the following steps:
  • step b) contacting a gaseous carbon source with the catalyst of step b), optionally in a fluidized bed, to form on the surface of said catalyst an assembly of carbon nanotubes and graphene by catalytic decomposition of the source of carbon ;
  • the method according to the invention has the advantage of leading to mixtures of CNT and graphene in the form of assemblies or associations having greater interpenetration of CNT and graphene networks than when a synthetic mixture is produced.
  • This strong interaction for the assembly can notably be demonstrated by electron microscopy of the products obtained according to the process of the invention, or by determination of the pore volume which is significantly lower than the pore volume of a synthetic mixture of CNT and graphene. for an equivalent specific surface (equivalent NTC / GP ratios).
  • the inventors have demonstrated that the NTC / GP assemblies exhibiting strong interpenetration of the NTC / GP networks have improved properties, notably improved conductivity properties, compared to simple NTC / GP mixtures for NTC / GP ratios. identical.
  • active catalyst for the synthesis of CNTs is meant a catalyst in the form of powder formed of caiaiytreu grains to ensure the catalytic decomposition of a gaseous source of carbon to hydrogen and NTC, the CNTs formed being fixed on the kaiaiytreu grains in the form of an entangled three-dimensional network.
  • active catalyst for the synthesis of graphene is understood to mean a solid catalyst in the form of crystalline particles, bonded to one another and separated by grain boundaries, making it possible to to ensure the decomposition of a gaseous source of carbon into hydrogen and graphene, the graphene obtained in powder form being associated with the catalyst particles.
  • the invention also extends to the assembly of carbon and graphene nanotubes that can be obtained according to the process of the invention and to a mass ratio between carbon nanotubes and graphene of between 1/99 and 99/1. preferably between 10/90 and 90/10,
  • the invention also relates to the use of the assembly of carbon nanotubes and graphene in a polymer matrix for the manufacture of composite materials having improved electrical and / or thermal conduction properties and or mechanical properties, particularly of resistance to elongation, improved.
  • the invention also relates to the use of the assembly of carbon nanotubes and graphene in composite materials for the manufacture of devices for transporting or storing fluids, such as pipes, reservoirs, conduits -shore or rites, or for the manufacture of compact or porous electrodes, especially supercapacitors or batteries, or hood or rear face of an electronic device (telephone, computer, flat screen, etc.).
  • catalyst A comprises at least one catalytic metal supported by an inert substrate.
  • the inert substrate is solid in the form of grains and chemically inert with respect to the supported metal and with respect to the carbon source under the operating conditions of the CNT synthesis method by the CVD technique.
  • the catalytic metal is chosen from iron, cobalt, nickel, molybdenum, copper, tungsten, chromium, ruthenium, palladium, platinum and titanium, in particular chosen from iron and cobalt. , nickel and molybdenum.
  • the metal is iron, or iron mixed or layered with another meta! such as molybdenum, nickel or cobalt.
  • metal in the elemental state, that is to say in the oxidation state 0, or in the oxidized state (degree of positive oxidation) . It is preferred that the metal is primarily in the elemental state.
  • the amount of metal generally represents from 5% to 50%, preferably from 15% to 40% by weight of the total mass of the catalyst
  • the substrate is inorganic, it is in particular chosen from alumina, magnesia, silica, an activated carbon, a silicate, titanium oxide, zirconia, a zeisthere, or even carbon fibers.
  • the substrate is alumina, in particular gamma or theta type.
  • the substrate is a porous substrate with a specific surface area 8 ET greater than 50 m 2 / g, and preferably between 70 m 2 / g and 400 m 2 / g, in the form of particles having a larger dimension between 75 and 500 microns.
  • the macroscopic shape of the substrate particles, and the particles of the catalyst A s can be globally substantially spherical or not.
  • the grains may be macroscopically more or less flattened (flakes, discs ...) and / or elongated (cylinders, rods, ribbons ).
  • the shape and size of the catalyst particles A are adapted to allow in particular the formation of a fluidized bed.
  • the substrate particles have a larger dimension of between 75 and 150 microns, more preferably between 80 and 100 microns, as measured by laser granulometry.
  • the catalyst A is advantageously in the form of spherical particles having a unimodal particle size distribution, the equivalent diameter of the particles being between 80% and 120% of the average particle diameter of the catalyst.
  • the particles of catalyst material may have a broad or bimodal granulometric distribution, with an equivalent diameter ranging from 20 to 600%.
  • catalyst A is in the form of a powder consisting of agglomerated substrate particles supporting at least one transition metal, and forming catalytic grains of size greater than 400 microns and preferably greater than 425 micrometers and preferably from 425 to 600 micrometers.
  • a step of agglomeration of the substrate particles supporting the transition metal (or metals) is carried out in this case by stirring in a mixer, during the synthesis of said particles or subsequently.
  • the agitation of the substrate particles supporting the transition metal (or metals) can be carried out in the presence of a binder such as, for example, a cellulose binder such as cellulose Carboxymethylcellulose (CMC) or corn starch used in solution.
  • aqueous solution in a mixer consisting of wet phase granulation apparatus such as a fluidized bed system or a vertical granulator with high shear stirrer so as to obtain granulation with grains of desired size.
  • the grains obtained are then dried and optionally sieved.
  • the synthesis of the substrate particles supporting the transition metal (or metals) is carried out directly with stirring so that the catalyst produced is in the form of grains having a diameter of between 20 and 600 microns, preferably greater than 400. micrometers.
  • Catalyst A can be prepared according to various methods, in particular by impregnation in the dry state, by co-precipitation or by liquid impregnation.
  • a particularly advantageous process for preparing Catalyst A is the method of impregnating a dry substrate with an impregnating solution comprising metal salts.
  • the solution may be an alcoholic or aqueous solution.
  • the impregnation step is preferably carried out under a dry gas sweep, preferably under a sweep of air. Elie is carried out at a temperature measured in situ ranging from 100 to 150 ° C, preferably from about 120 ° C.
  • its amount of impregnation solution, at any time, in contact with the substrate is just sufficient to ensure the formation of a film or a layer on the surface of the substrate particles.
  • the impregnation of the substrate is carried out with a first impregnation solution comprising a se! a transition metal of column VIB of the Periodic Table, preferably a molybdenum salt, and then with a second iron salt impregnation solution, preferably iron nitrate, each of said impregnations being preferably carried out under a sweep of dry gas, and the amount of impregnation solution, at any time, in contact with the substrate or the underlying layer being just sufficient to ensure the formation of a film on the surface of the substrate particles or layer under -jacente.
  • Catalyst B is a solid catalyst in the divided state comprising at least one mixed oxide incorporating at least one metal element, said mixed valence metal element, capable of exhibiting at least two valencies, one of the valencies of said mixed valence metal element being equal to +2, at least one such mixed valence metal element being selected from the group consisting of iron and cobalt, each mixed oxide having a single crystal structure.
  • At least one mixed oxide of the solid catalyst B comprises at least one metal element with a mixed valence chosen from the group formed by iron (Fe), cobalt (Go), molybdenum (Mo), nickel (Ni), copper (Cu) and manganese (n). More particularly, advantageously and according to the invention, at least one mixed valence metal element is selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), copper (Cu) and nickel (Ni).
  • a mixed oxide of the solid catalyst B may comprise at least one mixed valence metal element present in the oxidation state +2, and also the same metal element in an oxidation state distinct from +2 .
  • the mixed oxide of the catalyst may comprise the iron element in the +2 oxidation state and the element Fe in the +3 oxidation state.
  • At least one mixed oxide of the solid catalyst B is of the following general formula (II):
  • - A is a mixed valence metal element - in particular chosen from the group consisting of transition metals - in particular in the iron (Fe), cobalt (Co), molybdenum (Mo) and nickel (Ni) groups, copper (Cu), manganese (n) -;
  • B and C are metal elements selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), molybdenum (Mo), nickel (Ni), copper (Cu) and manganese (Mn), and; y and z are real numbers (positive or negative) chosen so that 3 ⁇ 3-xyz ⁇ 0,
  • At least one mixed oxide of the soiide catalyst B thus incorporates iron (Fe) and three other metallic elements, including at least one mixed valence metal element.
  • At least one mixed oxide of the solid catalyst B is of general formula (II) in which 3 3-x-y-z> 0, that is to say 3-x-y-z is different from 0.
  • at least one mixed oxide of the catalyst is of the following general formula (II):
  • At least one mixed oxide of the solid catalyst B is of general formula (III) in which 3 3 ⁇ x ⁇ y> 0, that is to say 3-x-y is different from 0.
  • at least one mixed oxide of solid catalyst B has the following general formula (IV):
  • At least one mixed oxide of the solid catalyst B is of general formula (III) in which: 3 ⁇ 3-x> 0, that is to say 3-x is different from O.
  • x may be equal to 1.
  • the mixed oxide is then of general formula (!) Below. It is also possible that x belongs to the interval [0; 1 (or interval) 1; 3].
  • the solid catalyst B in the divided state comprises at least one mixed oxide of the following general formula (I);
  • ⁇ A is a metal element, said mixed valence metal element, capable of having at least two valences, one of valences of said mixed valence metal element being equal to +2;
  • Fe is the iron element and O is the oxygen element.
  • At least one mixed oxide of the solid catalyst is selected from the group consisting of mixed iron ferrites and at least one mixed valence metal element selected from the group consisting of cobalt (Co), molybdenum (Mo), nickel (Ni), copper (Cu), manganese (Mn). More particularly, advantageously and according to the invention, said mixed valence metal element is selected from the group consisting of cobalt (Co), copper (Cu) and nickel (Ni).
  • the solid catalyst consists of a single mixed oxide.
  • Other mixed ferrites or mixed oxides with a spinel structure can be used.
  • a cobalt ferrite catalyst has already been used in a process for the production of graphite by chemical vapor deposition (Comas et al., (2005), Letters to the Editor, Carbon, 43, 2817). 2833). In no way is it a graphene manufacturing process within the meaning of the present invention. This document does not teach a graphene manufacturing process, or the characteristic that it is possible to manufacture solid particles of graphene of controlled thickness, especially less than 15 nm, in particular by choosing the average size of the single crystalline domain. ferrite catalyst.
  • the solid catalyst has a "spinel" type structure.
  • at least one mixed oxide of the solid catalyst B is a tetraoxide of spinel type structure, in particular a spinel ferrite.
  • a ferrite with a spinel structure has a crystalline structure of general elemental composition and wherein A represents at least one tetrahedral metallic element, ie substantially forming the center of a tetrahedron whose vertices are formed by the oxygen atoms, and wherein Fe is the octahedral iron element, that is, forming substantially the center of an octahedron whose vertices are formed by the oxygen atoms.
  • the catalyst B is a solid in the form of crystalline particles, the particles being adhered to each other and separated by grain boundaries.
  • the particles of catalyst B are free and unsupported particles on an inert material.
  • the solid catalyst in the divided state does not form an outer surface layer of an inert solid material which does not exhibit the solid catalyst functions according to the invention.
  • the solid catalyst B in the divided state is formed exclusively of the oxide (s) mfxte (s).
  • the mixed oxide (s) of the solid catalyst in the divided state is (are) the only constituent (s) of the catalyst B.
  • each mixed oxide of catalyst B has a single crystalline structure of average size between 1 nm and 250 nm, preferably between 2 nm and 200 nm, in particular between 2 nm and 50 nm, more particularly between 2 and 20 nm.
  • the average size of the crystalline domain of each mixed oxide of catalyst B is adapted to produce graphene having a thickness of less than 15 nm.
  • the average size of the crystalline domain (s) of the unique crystalline structure of catalyst B is determined by means known to those skilled in the art, in particular by X-ray diffraction (XRD). particularly by application of the Scherrer formula (Klug HP and Aiexander LE., (1974), X-ray diffraction procedures for polycrystalline and amorphous materials, Wiley) hereinafter:
  • d is the average diameter of the crista! iin (s) domain (s)
  • K is the form factor whose dimensionless value is 0.89
  • ⁇ is the value of the half-height width of the diffraction line and ⁇ is Bragg's angie
  • Catalyst B may be prepared by various techniques, in particular by burning a citrate gel (D, Segal, J. Mater Chem, 1997, 7, 1297).
  • An example of such a process for preparing a catalyst B comprises the following steps:
  • nitrate solution of a nitrate of element A and of an iron nitrate is prepared in an aqueous citric acid solution at 0.4 mol / L, the molar proportion of the nitrate of element A and iron nitrate being of the order of 1/2, then;
  • the pH of the nitrate solution is adjusted to a pH value of 6, then;
  • This procedure makes it possible to form a solid catalyst having, in X-ray diffraction, a single crystalline structure and an average crystalline domain size of between 1 nm and 250 nm, in particular between 10 nm and 200 nm.
  • Another method of preparing a catalyst B consists in calcining a powder of oxalate of iron and oxalate of the metallic element A, such as cobalt, at a temperature of the order of 800 6 C. such calcination with atmospheric air and with atmospheric pressure.
  • a catalyst comprising a mixture of a catalyst A and a catalyst B is introduced into a synthesis reactor.
  • Catalyst A and catalyst B may be introduced from successively (A then B, or B then A) in the reactor, or simultaneously (A and B).
  • the mixture of catalysts A and B can be carried out prior to introduction into the reactor, in particular when step b) is carried out in a fixed catalyst bed, for example in a horizontal oven.
  • step b) when step b) is carried out in fluidized bed, the mixture of catalysts A and B is carried out during this fluidized bed, after introduction of each of the catalysts into the reactor.
  • the reduction of the mixture of the 2 catalysts is preferably carried out in situ in the synthesis reactor fluidized bed between steps a) and b), so that it does not see the air thus allowing the metals not to reoxidize.
  • the catalyst is then heated to a high temperature, generally between 500 ° C and 1500 C C, preferably between 500 ° C and 800 ° C, and preferably between 6 0 ° C and 800 ° C (step b).
  • a high temperature generally between 500 ° C and 1500 C C, preferably between 500 ° C and 800 ° C, and preferably between 6 0 ° C and 800 ° C (step b).
  • the solid catalyst and a source of carbon in the gaseous state are brought into contact, according to step c), for a period of time, called contact time, adapted to allow chemical deposition. in the carbon vapor phase in the form of an assembly of CNT and graphene on the surface of said catalyst,
  • the duration of contact is generally between 1 sec and 60 min.
  • the carbon source can be chosen from hydrocarbon compounds comprising from 1 to 12 carbon atoms, in particular hydrocarbons comprising from 1 to 12 carbon atoms or alcohols containing from 1 to 12 carbon atoms.
  • the carbon source is an alkane such as methane, ethane, butane, propane, or an alkene such as ethylene, isopropylene, propylene, butene, or butadiene, or a alkyne such as acetylene, or benzene, or an alcohol such as methanol, ethanol, isopropanol, butanol, or acetone or carbon monoxide, and mixtures thereof.
  • the hydrocarbon having 1 to 12 carbon atoms is selected from the group consisting of alkanes, in particular methane and ethane, and alkenes, in particular ethylene, isopropylene, propylene, butene and butadiene, and mixtures thereof.
  • the carbon source is formed of a mixture of at least two of the aforementioned gaseous carbon sources.
  • the source of carbon in the gaseous state is chosen from the group consisting of hydrocarbon compounds, said carbon source being chosen excluding a mixture of acetylene and argon as a carrier gas.
  • This carbon source can be of renewable origin as described in patent application EP 1 980 530.
  • the alkene preferably used is ethylene.
  • the source of carbon, and preferably ethylene is mixed in step c) with a flow of a reducing agent in the gaseous state, for example a flow of hydrogen or ammonia.
  • the carbon source / reducing agent ratio is generally between 90/10 and 50/50, preferably between 90/10 and 60/40, more preferably between 70/30 and 80/20.
  • an inert gas selected from the group consisting of noble gases, including helium, argon and nitrogen.
  • the chemical vapor deposition is carried out at a temperature of between 500 ° and 500 ° C., preferably below 1000 ° C., and more particularly between 50 ° C. and 800 ° C., and better still between 610 ° C. and 800 ° C. ° C.
  • Such a deposit is made at a pressure less than or equal to atmospheric pressure; such a method therefore does not require, for its implementation, the mandatory use of a holding device of the reactor enclosure under reduced pressure.
  • the method for producing an assembly of CNT and graphene can be implemented in known industrial devices and the assembly of CNT and graphene produced after the contact step c) is recovered directly at the outlet of the reactor (step d).
  • the recovery of the carbon and graphene nanotubes in the form of a CNT / GP assembly fixed on the catalytic grains and forming an entangled three-dimensional network can be carried out sequentially by hot-drawing. i.e., at the reaction temperature for the synthesis.
  • the sequence at which the withdrawals are made corresponds to the filling frequency of the reactor, which can be controlled by means of a probe placed inside the reactor.
  • the withdrawals are carried out by the bottom of the reactor by means of an outlet below the reactor, Said outlet corresponds to a discharge outlet of the reactor provided with a valve shutter system, open sequentially, the output of this system being connected to a cooling and storage container adapted to receive the NTC / GP powder.
  • the contact time of the gaseous carbon source and the mass ratio between the catalyst are suitably selected.
  • the weight ratio NTC / GP of the assembly recovered at the outlet of the reactor (step d) can be controlled by varying the mass ratio between the catalyst A and the catalyst B.
  • This ratio NTC / GP can be between 1799 and 99/1, preferably between 10/90 and 90/10, and more preferably between 20/80 and 80/20.
  • the CNTs obtained in the NTC / GP assembly have a mean diameter ranging from 0.1 to 200 nm, preferably from 0.1 to 100 nm, more preferably from 0.7 to 50 nm, and better still from 1 to 30 nm. and advantageously a length of more than 0.1 ⁇ m and advantageously of 0.1 to 20 ⁇ m.
  • Their length / diameter ratio is advantageously greater than 10 and most often greater than 100.
  • Their specific surface area is for example between 100 and 600 m 2 / g and their apparent density may especially be between 0.01 and 0.5 g. / cm J , preferably between 0.07 and 0.2 g / cm 3 .
  • the graphene obtained in the NTC / GP assembly is in the form of solid particles of nanometric size having a thickness of less than 15 nm, in particular a thickness of between 0.1 nm and 15 nm, preferably less than 5 nm, and at least one lateral dimension substantially perpendicular to said thickness of between 0.1 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably less than one micron and ranging from 10 nm to less than 1000 nm, and comprising from 1 to 50 sheets, preferably from 1 to 20 sheets, and more preferably from 1 to 10 sheets, or even from 1 to 5 sheets.
  • the inventors have also discovered who! It is possible to control the thickness of graphene by suitably selecting the average single crystal field size of catalyst B, including the average crystalline domain size of each mixed catalyst of catalyst B, and the contact time with the gaseous source of the catalyst. carbon.
  • the inventors have discovered that it is possible to obtain graphene of greater thickness by increasing the average size of the crystalline domain of catalyst B during the synthesis.
  • they have discovered that it is possible to obtain graphene of lower thickness, especially graphene mono-sheet, by choosing a catalyst B having smaller average size metal domains and a decreased contact time.
  • graphene can be characterized by X-ray diffraction because it has a diffraction line (002) at a 2 theta (2q) value between 26 ° and 27 °.
  • the method according to the invention can comprise other steps
  • the mass proportion of residual solid catalyst in the NTC / GP assembly is less than 1%.
  • a treatment may for example be carried out using a concentrated aqueous solution of a mineral acid - especially sulfuric acid. It is also possible to carry out a step of treatment with uitrasons to allow separation of the graphene sheets and to form dissociated graphene sheets in the NTC / GP assembly.
  • the invention also relates to the use of a solid catalyst in the divided state comprising at least one mixed oxide incorporating at least one metal element, said mixed valence metal element, capable of exhibiting at least two valences, one of which valences of said mixed valence metal element being equal to +2, at least one such mixed valence metal element being selected from the group consisting of iron and cobalt, said mixed oxide having a single crystalline structure and comprising at least one metallic element
  • a mixed valence selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), molybdenum (Mo), nickel (Ni), copper (Cu) and manganese (n), preferably selected from the group formed of Fe (Fe), Cobalt (Co), Copper (Cu) and Ni (Ni), to produce an assembly of carbon and graphene nanotubes by catalytic decomposition of a carbon source in the gaseous state at a temperature ranging from 500 ° C to 800 ° C in a fluidized bed reactor.
  • Figure 1 is a transmission electron microscope (magnification x 300 000) showing CNTs obtained according to Example 4.
  • FIG. 2 is a TEM shot showing graphene obtained according to example 5.
  • FIGS. 3 and 4 are TEM dies showing an assembly of NTC / graphene obtained according to the process according to the invention (Examples 6 and 11).
  • FIGS. 5 and 6 are the comparative MET charts of an NTC / GP assembly according to the invention and of a simple NTC / GP mixture for an equivalent specific surface area.
  • FIG. 7 represents the evolution of the resistivity as a function of the graphene content in the NTC / GP assembly according to the invention, compared to a simple corresponding mixture
  • Example 1 Preparation of a Fe / Mo catalyst on alumina for the synthesis of carbon nanotubes muiti-walls.
  • a catalyst was prepared from Puraiox ® SCCa-5/150 alumina with a median diameter of about 85 ⁇ m and a specific surface area of 160 ⁇ m 2 / g.
  • 100 g of alumina was introduced and flushed with air.
  • 80 ml of a 45 g / l solution of ammonium molybdate fetahydrate were then continuously injected, followed by 560 ml of a solution containing 675 g / l of iron nitrate nonahydrate.
  • the target ratio (metal mass / catalyst mass) being 32% for iron and 3% for molybdenum, its duration of addition was 25 h.
  • a Fe / Al 2 O 3 catalyst was prepared from Puraiox ® SCCa-5/150 alumina of median diameter. at about 85 pm and with a specific surface area of 160 m 2 / g.
  • a 1 L reactor equipped with a double incubator heated to 120 ° C was introduced 100 g of alumina and was waved at the atr.
  • 560 ml of a solution containing 720 g / l of iron nitrate nonahydrate was then continuously injected.
  • the target ratio (mass of metal / mass of catalyst) being 35% for the iron, the duration of addition was 25 h.
  • the catalyst was then heated in situ at 220 ° C under a dry air sweep for 8 hours and then placed in a muffle furnace at 400 ° C for 8 hours.
  • Example 3 Preparation of a CoFe 2 catalyst for the synthesis of graphene.
  • the homogeneous product thus obtained was heated to a temperature of about 200 ° C. so as to decompose the citric acid.
  • the expansion of the homogeneous gel was then observed to foam which was allowed to develop for about 30 minutes until stabilization.
  • This foam was then crushed gently to form a powder which was heated at 400 ° C for 4 hours in atmospheric air. A crystalline powder of cobalt ferrite was thus obtained.
  • This powder has a single oxide phase having a spinelike structure with a crystalline domain size of between 14 nm and 20 nm (determined by X-ray diffraction) and a specific surface area of 7 m 2 / g.
  • NTC carbon nanotubes
  • a pharmacological test was carried out with a mass of about 600 mg of catalyst 1 in a quartz reactor of 2.5 cm in diameter and 10 cm of effective heating height.
  • Graphene synthesis was performed in a horizontal quartz reactor. 20 mg of the catalyst powder obtained in Example 3 were placed in an alumina crucible which was placed in the center of an 18 mm horizontal diameter inner diameter tubular reactor. The catalyst powder was heated under a gaseous flow of hydrogen (H 2 , 53 cm 3 / min) and argon (Ar, 160 cm 3 / min), up to the temperature of 650 ° C. a temperature gradient of 630 / ⁇ . When the temperature reached 650 ° C., ethylene (C 2 H 4, 32 cm 3 / min) was introduced into the gas mixture and the gas flow and the temperature were maintained for one hour. After 1 h, the heating and gaseous flows of ethylene and hydrogen were stopped. The powder obtained was cooled to a temperature of 300 ° C. under argon. The amount of product recovered at the end of the reaction was 220 mg.
  • H 2 , 53 cm 3 / min hydrogen
  • argon Ar, 160 cm 3 / min
  • Example 6 Synthesis of an Assembly of Carbon Nanotubes / Graphene (CNT / GP) by Chemical Vapor Deposition in a Fluidized Bed Reactor (Diameter 2.5 cm)
  • a catalytic test was carried out with a mass of about 300 mg of catalyst of Example 1 and about 300 mg of the catalyst of Example 3 in a quartz reactor of 2.5 cm in diameter and 10 cm of effective heating height.
  • the mixture was heated at 650 ° C. under 0.66 L / min of nitrogen for 30 minutes, then a reduction period was maintained for 30 minutes under 0.5 L / min of nitrogen and 0.16 L / min of nitrogen. hydrogen. Once this plateau ended, an ethylene flow rate of 0.5 L / min and hydrogen of 0.16 L / min was introduced. After 15 minutes, the heating was stopped and the reactor was cooled under nitrogen flow of 0.66 L / min. The amount of product recovered at the end of the reaction was 3.5 g.
  • the productivity of the synthesis is determined as the ratio of the mass of composite powder obtained to the starting mass of catalyst.
  • the productivity for this synthesis was 4.8.
  • NTC / GP The ratio NTC / GP can be verified by thermogravtmetric analysis.
  • Example 7 Synthesis of an Assembly of Carbon Nanotubes / Graphene (NTC / GP) by Chemical Vapor Deposition in a Fluidised-Bed Reactor (Diameter 5 cm)
  • a catalytic test was carried out by putting a mass of about 1.3 g of the catalyst of Example 1 and about 1.3 g of the catalyst of Example 3 in a quartz reactor of 5 cm in diameter and 1 meter effective heating height.
  • Example 7 The same conditions as in Example 7 were reproduced, but using a mass of about 1.9 g of the catalyst of Example 1 and about 0.6 g of the catalyst of Example 3,
  • the amount of product recovered at the end of the reaction was 47 g.
  • the theoretical NTC / GP mass ratio is 90/10 and a productivity of 21.4 has been obtained.
  • Example 9 (according to the invention); Synthesis of an assembly of carbon nanotubes / graphene (NTC / GP) by chemical vapor deposition in a fluidized reactor.
  • Example 7 Was repeated the same conditions as Example 7, but replacing the catalyst of Example 1 with the catalyst of Example 2. The test was thus carried out with a weight of about 1, 9 g of the catalyst of Example 2 and about 0.6 g of the catafyer of Example 3.
  • Example 10 (According to the Invention) Synthesis of an Assembly of Carbon Nanotubes / Graphene by Chemical Vapor Deposition in a Fluidised Reactor
  • a catalytic test was carried out under the same conditions as in Example 9 by adding a mass of about 2.3 g of the catalyst of Example 2 and about 0.3 g of the catalyst of Example 3.
  • the amount of product recovered at the end of the reaction was 29 g.
  • the theoretical NTC / GP mass ratio is 90/10 and a productivity of 11.3 has been obtained.
  • Example 11 Synthesis of an assembly of carbon nanotubes / graphene by chemical vapor deposition in a fluidized bed reactor.
  • the reactor of Example 7 was used with a mass of about 0.5 g of the catalyst of Example 1 and about 0.5 g of the catalyst of Example 3.
  • the comparison of the two products was made on the basis of electron microscopic observation and determination of the pore volume for a substantially equivalent specific surface area.
  • the measurements of the BET specific surface area and the pore volume were carried out in accordance with the NF ISO 9277 standard by applying the BET law for the specific surface and the BJH model for the pore volume.
  • a synthetic NTC / GP mixture was prepared from a physically stirred mechanical mixture of CNT and graphene synthesized separately using the same respective catalysts and operating conditions. Stirring was performed to obtain a homogeneous mixture. A mixture having a specific surface area substantially equivalent to that of an assembly obtained according to the method of the invention was prepared.
  • the pore volume of the NTC / GP assembly according to the invention is significantly lower than that of the simple NTC / GP mixture. This is in agreement with a strong interpenetration of the CNT and graphene networks in the assembly leading to a small empty space.
  • Figures 5 and 6 respectively represent the SEM images of the assembly NTC / GP 45/55 and the synthetic mixture NTC / GP 40/60. These observations highlight the important interaction between the NTC and the GP in the NTC / GP assembly according to the invention, the NTC and GP structures being nested one inside the other. this interaction between the two products.
  • the NTC / GP assemblies still remain higher than the corresponding synthetic mixtures (conditions 270 ° C., screw speed 200 rpm, Lexan 126, 2% carbon loads), as shown in FIG. 7.

Abstract

La présente invention concerne la synthèse de mélanges de nanotubes de carbone et de graphène, et a plus particulièrement pour objet un procédé de co-production de nanotubes de carbone et de graphène sous forme d'un assemblage selon un procédé de dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un catalyseur comprenant un mélange d'un catalyseur A actif pour la synthèse de nanotubes de carbone et d'un catalyseur B actif pour la synthèse de graphène. L'invention a également pour objet tes assemblages de nanotubes de carbone et de graphène susceptibles d'être ainsi obtenus et leur utilisation pour la fabrication de matériaux composites présentant des propriétés de conduction électrique et/ou thermique améliorées et/ou des propriétés mécaniques, notamment de résistance à l'élongation, améliorées.

Description

PROCEDE DE PRODUCTION D'UN ASSEMBLAGE DE NANOTUBES DE CARBONE ET DE GRAPHENE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne la synthèse de mélanges de nanotubes de carbone et de graphène, et a plus particulièrement pour objet un procédé de co~production de nanotubes de carbone et de graphène sous forme d'un assemblage selon un procédé de dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un catalyseur comprenant un mélange d'un catalyseur A. actif pour la synthèse de nanotubes de carbone et d'un catalyseur B actif pour la synthèse de graphène.
Etat , d e , ia , tech niq u e
Les nanotubes de carbone (NTC) présentent l'avantage de conférer des propriétés mécaniques et des propriétés de conduction électrique et/ou thermique améliorées à tout matériau composite les contenant, au moins égales à celles du noir de carbone pulvérulent, à des teneurs plus faibles. Leurs bonnes propriétés mécaniques et notamment de résistance à l'éiongation sont liées en partie à leurs rapports de forme (longueur/diamètre) très élevés.
Les NTC possèdent des structures cristallines particulières, de forme tubulaire et creuses, obtenues à partir de carbone. Les NTG sont en général constitués d'un ou plusieurs feuillets de graphite agencés de façon concentrique autour d'un axe longitudinal, On distingue ainsi les nanotubes mono-parois (Single Wall Nanotubes ou SWNT) et les nanotubes muiti-parois ( ulti Wall Nanotubes ou WNT).
f! est rappelé en outre, que les nanotubes de carbone ont habituellement un diamètre moyen allant de 0,1 à 200 nm, et avantageusement une longueur de plus de 0,1 um. Ainsi, leur rapport longueur/diamètre est avantageusement supérieur à 10 et le plus souvent supérieur à 100.
La production de NTC peut être mise en œuvre par différents procédés, comme la décharge électrique, l'ablation laser, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD en abréviation) ou le dépôt physique en phase vapeur (PVD en abréviation).
Cependant on s'intéresse ici au procédé de synthèse par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) car ce procédé est le plus adapté à la fabrication industrielle en termes de qualité des NTC et de productivité.
Ce procédé consiste à injecter une source de gaz riche en carbone, dans un réacteur renfermant un catalyseur métallique porté à haute température. Au contact du métal, la source de gaz se décompose en NTC à plan graphitique et en hydrogène. En générai, le catalyseur est constitué d'un métal cataiytique supporté par un substrat solide sous forme de grains et chimiquement inerte par rapport au métal supporté et par rapport aux gaz réactifs utilisés pour ia synthèse des NTC.
Parmi les métaux utilisés pour le catalyseur, on utilise en général, îe fer Fe, le cobalt Co, le nickel Ni, le molybdène Mo et parmi les substrats solides supportant Se métal cataiytique, on trouve notamment l'alumine, fa silice ou la magnésie.
Les sources gazeuses de carbone généralement utilisées sont un alcane tel que le méthane, Péthane, le butane, le propane, ou un alcène tei que i'éthylène, ou un alcyne tei que l'acétylène, ou encore le benzène ou un alcool tel que le méthanol, i'éthanol, seuls ou en mélange.
Les températures se situent en général dans Sa gamme 45QCC à 1500°C.
A titre d'exemples de documents décrivant ce procédé CVD, et ses différentes variantes, pour la production de NTC, on peut citer notamment les documents WO 86/03455 ; WO 03/002456 ; WO 06/008385 ; WO 2006/082325 ; WO 2007/074312 ; US 5,500,200 ; US 2004/0151654 ; WO 2011/020970 ; WO 201 /020971 .
Parallèlement, un certain nombre de travaux ont montré que l'on pouvait disperser du graphène dans des matériaux polymériques de façon à leur conférer également des propriétés conductrices. Par exemple, l'article « Graphene-based composite materials », de Stankovich et ai, Nature, vol. 442, p. 282-286(2006) montre que Ton peut préparer des composites polystyrène- graphène conducteurs en mélangeant en voie solvant DÎVIF, du polystyrène et du graphène préalablement greffé par des groupes isocyanate de phényle.
Le graphène est un matériau qui a été isolé pour la première fols en 2004 et fabriqué depuis à l'échelle industrielle. Le graphène est constitué de feuillets de graphite isolés et individualisés, mais très souvent on appelle graphène des assemblages comprenant entre un feuillet et quelques dizaines de feuillets et présentant une structure plane ou plus ou moins ondulée. L'enroulement d'un ou plusieurs feuillets de graphène de manière coaxiale donne naissance aux nanotubes de carbone (respectivement, mono-parois et multi-parois), tandis que l'empilement turbostratique de ces feuillets constitue une nanofîbre de carbone.
On distingue ies FLG (Few Layer Graphene ou graphène faiblement empilé), les NGP (Nanosized Graphene Plates ou plaques de graphène de dimension nanométrique), les CNS (Carbon NanoSheets ou nano-feuilies de graphène), les GNR (Graphene NanoRibbons ou nano-rubans de graphène).
De nombreuses techniques ont été mises au point pour la production de graphène. Parmi les plus répandues, on peut citer la méthode par prélèvement de monocouche de graphène par exfoliation de ia surface d'un bloc de graphite (Geim A.K., Science, 306, 666, 2004 ; Janowska, I. et al, NanoResearch, 2009) ou par coupure de nanotubes de carbone le long de S'axe longitudinai (Jiao L. et al, Nature, 458, 877-880, 2009).
Entre toutes ces techniques, la synthèse par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) semble une technique prometteuse permettant d'envisager une production de graphène à grande échelle. Cette technique met en jeu par exemple la décomposition d'hydrocarbures à des températures allant généralement de 800°C à 1000°C sur des films métalliques (Go, Cu, Ni) déposés sur des substrats plans (S, Bhaviripudi et aLs Narto Lett,s 2010, 10, 4128 ; H. J. Park et al., Carbon, 2010, 48, 1088 ; A. Varykhalov et al., P ys. Rev. e, 2009, 80, 35437).
En revanche, très peu d'exemples font mention de la synthèse de graphène à partir de catalyseurs supportés sous forme de poudres. On peut citer cependant X. Wang et al., Chem. Vap. Dep., 2009, 15, 53, qui ont réussi à préparer du graphène muiti-feuiliets contenant très peu d'oxygène à partir de la décomposition du méthane à 10OCTC sur du cobalt supporté sur gO. Pour E. Dervishi et ai., Chem. Mater., 2009, 21, 5491 , c'est à partir de la décomposition d'acétylène à 1000°C sur un système Fe-Co/MgO que sont synthétisés des feuillets de graphène (1 -5 feuillets).
Par ailleurs, dans la demande de brevet WO 2011/131890, Sa Demanderesse a proposé un procédé permettant dïntégrer aisément un mélange de nanotubes de carbone et de graphène dans différentes compositions de polymère thermopiastique et/ou élastomérique. Ce procédé consiste selon une première étape à mélanger des NTC, du graphène et un polymère, par exempie dans un dispositif de compoundage, puis à transformer ce mélange sous forme physique solide agglomérée. En effet, ii a été découvert un effet synergique entre les nanotubes de carbone et le graphène permettant d'atteindre de meilleures conductivités électriques et thermiques que les NTC seuls à tout matériau composite les contenant. De plus, il s'est avéré que la présence de graphène apporte une fonction lubrifiante, susceptible de diminuer la viscosité des mélanges et donc l'énergie consommée au compoundage,
Ce procédé implique cependant de produire d'une part des nanotubes de carbone, d'autre part du graphène, avant de les disperser dans une matrice polymérique, et par conséquent nécessite deux unités de production séparées de nanocharges carbonées conductrices. SI subsiste donc le besoin de disposer d'un procédé industriel simple, permettant de préparer en une seule étape un mélange de nanotubes de carbone et de graphène (NTC/GP), sous forme d'un assemblage ou d'une association de nanotubes de carbone et de graphène, ledit assemblage pouvant ensuite être dispersé directement dans différentes compositions de polymères. L'effet synergique entre les NTC et le graphène sur les conductivités électriques et thermiques de la composition de polymères les contenant peut ainsi être mis à profit plus efficacement. Quelques exemples de synthèse de mélanges NTC/GP sont décrits dans la littérature. Une voie explorée par plusieurs auteurs consiste à couper dans ie sens de la longueur des NTC afin d'obtenir un ou plusieurs feuillets de graphène. ta réaction n'étant pas totale, on peut alors obtenir des mélanges NTC/GP avec des teneurs en NTC assez faibles, mais sans vraiment contrôler la proportion de GP et de NTC.
La synthèse par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est une technique récemment explorée pour préparer des mélanges NTC/GP. Le catalyseur alors mis en jeu pour décomposer l'hydrocarbure est déposé sur un substrat pian, par exemple particules de fer sur film de graphène, film de nickel sur TiN ou particules de Si sur des feuilles de cuivre (V. Jousseaume et al. , Appl. Phys. Lett., 2011 , 98, 123103 ; X. Dong et ai., Carbon, 2011 49, 2944).
Compte tenu des différents clichés de mtcroscopie proposés dans ces documents, il apparaît que le rapport NTC/GP est plutôt en faveur des NTC.
D'autres procédés pour produire de façon continue des NTC et du graphène ont été proposés, par exemple à partir d'une solution fondue de catalyseur et de carbone placée dans une chambre sous vide à une température supérieure à 1200°C (US 20 0/0212727), ou à partir d'une solution d'un précurseur organométaliique du fer et d'une poiyoléfine cyclique saturée chauffée à 500°C (WO 2008/097333), Ces procédés restent cependant difficilement transposables à une échelle industrielle.
Malgré ces divers développements, il existe toujours un besoin en un procédé qui permette de produire de grandes quantités d'assemblages NTC/GP, d'une grande pureté en carbone, tout en contrôlant ie rapport massique entre les NTC et le graphène.
Les présents inventeurs ont trouvé qu'il est possible de préparer en une seule étape des assemblages NTC/GP et de rapport NTC/GP contrôlé, selon la technique de dépôt chimique en phase vapeur, en présence d'un mélange de catalyseurs se trouvant sous forme de poudre, et donc compatibles avec la technologie des réacteurs à lit fluidisé. La présente invention a donc pour but de fournir un procédé simple, s'adaptant aisément aux dispositifs de fabrication existants dans l'industrie des NTC, pour co-produire des nanotubes de carbone et du graphène sous forme d'assemblages.
Résumé de l'invention
De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de production d'un assemblage de nanotubes de carbone et de graphène par décomposition à haute température d'une source de carbone à l'état gazeux caractérisé en ce que la source de carbone est mise en contact avec un catalyseur comprenant un mélange d'un catalyseu A actif pour la synthèse de nanotubes de carbone et d'un catalyseur B solide à l'état divisé sous forme de particules libres non supportées sur un matériau inerte, actif pour la synthèse de graphène.
Dans cette description, le terme « graphène » (GP) est utilisé pour désigner un feuillet de graphite plan, isolé et individualisé, mais aussi, par extension, un assemblage comprenant entre un feuillet et quelques dizaines de feuillets et présentant une structure plane ou plus ou moins ondulée. Chaque feuillet de graphène est formé d'atomes de carbone liés les uns aux autres par des liaisons C-C de type sp2 et formant un réseau hexagonal bidimensionnel.
D'une manière générale, le graphène selon l'invention se présente sous la forme de particules solides de taille nanométrique présentant une épaisseur inférieure à 15 nm et au moins une dimension latérale sensiblement perpendiculaire à ladite épaisseur comprise entre 0,1 pm et 500 pm, et comprenant de 1 à 50 feuillets, lesdits feuillets étant susceptibles d'être désolidarisés les uns des autres sous la forme de feuillets indépendants par exemple lors d'un traitement par des ultrasons.
Dans cette description, les nanotubes de carbone (NTC) selon l'invention ont un diamètre moyen allant de 0,1 à 200 nm, de préférence de 0,1 à 00 nm, et avantageusement une longueur de plus de 0,1 pm et avantageusement de 0,1 à 20 pm. Leur rapport longueur/diamètre est avantageusement supérieur à 10 et le plus souvent supérieur à 100. li s'agit de nanotubes de carbone mono-parois ou mufti-parois, avantageusement de NTC multi-parois comportant par exemple de 5 à 15 parois. Le procédé de production d'un assemblage de nanotubes de carbone et de graphène selon l'invention comprend au moins les étapes suivantes :
a) l'introduction dans u réacteur de synthèse, notamment la mise en iit fluidisé dans ledit réacteur, d'un catalyseur comprenant un mélange d'un catalyseur A actif pour la synthèse de nanotubes de carbone et d'un catalyseur B solide à l'état divisé sous forme de particules libres non supportées sur un matériau inerte actif pour la synthèse de graphène, le catalyseur A et le catalyseur B étant introduits de façon successive ou de façon simultanée dans le réacteur ;
b) le chauffage dudit catalyseur dans le réacteur, à une température comprise entre 500°C et 1500 , de préférence entre 500QC et 800eC ;
c) la mise en contact d'une source gazeuse de carbone, avec le catalyseur de l'étape b), éventuellement en lit fluidisé, pour former en surface dudit catalyseur un assemblage de nanotubes de carbone et de graphène par décomposition catalytique de la source de carbone ;
d) la récupération de l'assemblage de nanotubes de carbone et de graphène produits en c) en sortie du réacteur.
Le procédé selon l'invention présente l'avantage de conduire à des mélanges de NTC et de graphène sous forme d'assemblages ou d'associations présentant une interpénétration des réseaux de NTC et de graphène plus importante que lorsque l'on réalise un mélange synthétique par simple agitation mécanique de NTC et de graphène synthétisés séparément. Cette forte interaction pour l'assemblage peut notamment être mise en évidence par microscopie électronique des produits obtenus selon le procédé de l'invention, ou par détermination du volume poreux qui est signiftcativement inférieur au volume poreux d'un mélange synthétique de NTC et de graphène pour une surface spécifique équivalente (rapports NTC/GP équivalents). Les inventeurs ont mis en évidence que les assemblages NTC/GP présentant une forte interpénétration des réseaux NTC/GP présentent des propriétés améliorées, notamment des propriétés de conductivité améliorées, par rapport aux simples mélanges de NTC et de GP pour des rapports de NTC/GP identiques.
Dans la suite de la description, par "catalyseur actif pour la synthèse de NTC". on entend un catalyseur sous forme de poudre formée de grains caiaiytiques permettant d'assurer la décomposition catalyîique d'une source gazeuse de carbone en hydrogène et NTC, les NTC formés étant fixés sur les grains caiaiytiques sous forme d'un réseau tridimensionnel enchevêtré.
Dans la suite de la description, par "catalyseur actif pour la synthèse de graphène", on entend un catalyseur solide à l'état divisé sous forme de particules cristallines, collées les unes aux autres et séparées par des joints de grain, permettant d'assurer la décomposition d'une source gazeuse de carbone en hydrogène et graphène, le graphène obtenu sous forme de poudre étant associé aux particules de catalyseur.
L'invention s'étend également à T assemblage de nanotubes de carbone et de graphène susceptible d'être obtenu selon le procédé de l'invention et de rapport massique entre les nanotubes de carbone et le graphène compris entre 1/99 et 99/1 , de préférence entre 10/90 et 90/10,
L'invention a aussi pour objet l'utilisation de l'assemblage de nanotubes de carbone et de graphène dans une matrice polymère pour la fabrication de matériaux composites présentant des propriétés de conduction électrique et/ou thermique améliorées et ou des propriétés mécaniques, notamment de résistance à l'élongation, améliorées.
L'invention a aussi pour objet l'utilisation de l'assemblage de nanotubes de carbone et de graphène dans des matériaux composites destinés à la fabrication de dispositifs de transport ou de stockage de fluides, tels que des tuyaux, des réservoirs, des conduites off-shore ou des du rites, ou pour la fabrication d'électrodes compactes ou poreuses, notamment de supercapacités ou de batteries, ou de capot ou de face arrière d'un appareil électronique (téléphone, ordinateur, écran plat, etc.). Description détaillée
Selon l'invention, on met en œuvre un mélange d'un catalyseur A actif pour la synthèse de NTC et d'un catalyseur B actif pour la synthèse de graphène. Catalyseur A
Avantageusement, le catalyseur A comprend au moins un métal cataiytique supporté par un substrat inerte. Le substrat inerte est solide sous forme de grains et chimiquement inerte par rapport au métal supporté et par rapport à la source de carbone dans les conditions opératoires du procédé de synthèse des NTC par la technique CVD.
Avantageusement, le métal cataiytique est choisi parmi le fer, le cobalt, le nickel, le molybdène, le cuivre, le tungstène, ie chrome, ie ruthénium, te palladium, le platine et le titane, en particulier choisi parmi le fer, le cobalt, le nickel et le molybdène. De manière préférée, ie métal est le fer, ou te fer en mélange ou en couches superposées avec un autre méta! tel que le molybdène, ie nickel ou le cobalt.
Il est entendu que par "métal", il est fait référence au métal à l'état élémentaire, c'est-à-dire à l'état d'oxydation 0, ou à l'état oxydé (degré d'oxydation positif). On préfère que le métal se trouve principalement à l'état élémentaire. La quantité de métal représente en générai de 5% à 50%, de préférence de 15% à 40% en masse de la masse totale du catalyseur
Avantageusement le substrat est inorganique, il est notamment choisi parmi l'alumine, la magnésie, la silice, un charbon actif, un silicate, l'oxyde de titane, la zircone, une zéoisthe, ou encore des fibres de carbone. Selon un mode de réalisation avantageuse, le substrat est de l'alumine, notamment de type gamma ou thêta. Avantageusement, le substrat est un substrat poreux de surface spécifique 8 ET supérieure à 50 m2/g, et, de préférence, comprise entre 70 m2/g et 400 m2/g, sous forme de particules ayant une plus grande dimension comprise entre 75 et 500 microns.
La forme macroscopique des particules de substrat, et des particules du catalyseur As peut être globalement sensiblement sphérique ou non. Les grains peuvent être de forme macroscopique plus ou moins aplatie (flocons, disques...) et/ou allongée (cylindres, bâtonnets, rubans...).
Selon l'invention, !a forme et la dimension des particules de catalyseur A sont adaptées pour permettre en particulier ia formation d'un lit fluidisé. Dans la pratique, on préfère que les particules de substrat aient une plus grande dimension comprise entre 75 et 150 microns, plus préférentieltement entre 80 et 100 microns, telle que mesurée par granulométrie laser.
Par ailleurs, le catalyseur A est avantageusement sous forme de particules sphériques ayant une répartition granuiométrique unimodaie, Se diamètre équivalent des particules étant compris entre 80 % et 120 % du diamètre moyen des particules du catalyseur. Selon d'autres formes d'exécution, tes particules de matériau catalyseur peuvent avoir une répartition granuiométrique large ou bimodale, avec un diamètre équivalent allant de 20 à 600%.
Selon d'autres formes d'exécution, Se catalyseur A se présente sous la forme d'une poudre constituée de particules substrat agglomérées supportant au moins un métal de transition, et formant des grains catalytiques de taille supérieure à 400 micromètres et de préférence supérieure à 425 micromètres et de préférence de 425 à 600 micromètres.
Une étape d'agglomération des particules substrat supportant le métal (ou les métaux) de transition, est réalisée dans ce cas par agitation dans un mélangeur, pendant la synthèse desdites particules ou postérieurement.
L'agitation des particules substrat supportant le métal (ou les métaux) de transition, peut être réalisée en présence d'un liant tel que par exemple un liant cellulosique comme ia cellulose Carboxymethyiceilulose (CMC) ou de l'amidon de maïs utilisés en solution aqueuse dans un mélangeur constitué par un appareil de granulation en phase humide tel qu'un système à lit fluidisé ou encore un granulateur vertical avec agitateur à haut cisaillement de manière à obtenir une granulation avec des grains de taille désirée. Les grains obtenus sont alors séchés et éventuellement tamisés.
En alternative, la synthèse des particules substrat supportant le métal (ou les métaux) de transition, est réalisée directement sous agitation de sorte que le catalyseur produit soit sous la forme de grains de diamètre compris entre 20 et 600 micromètres, de préférence supérieure à 400 micromètres.
Le catalyseur A peut être préparé selon différentes méthodes, en particulier par imprégnation à l'état sec, pa co-précipitation ou par imprégnation en voie liquide.
Un procédé particulièrement avantageux pour préparer Se catalyseur A est la méthode par imprégnation d'un substrat sec avec une solution d'imprégnation comprenant des sels métalliques. La solution peut être une solution alcoolique ou aqueuse.
L'étape d'imprégnation est réalisée de préférence sous balayage de gaz sec, de préférence sous balayage d'air. Elie est effectuée à une température mesurée in situ allant de 100 à 150°C, de préférence d'enviro 120°C. Avantageusement, Sa quantité de solution d'imprégnation, à tout moment, en contact avec Se substrat est juste suffisante pour assurer la formation d'un film ou d'une couche à la surface des particules de substrat.
Selon un mode de réalisation, l'imprégnation du substrat est effectuée avec une première solution d'imprégnation comprenant un se! d'un métal de transition de la colonne VIB du Tableau Périodique, de préférence un sel de molybdène, puis avec une seconde solution d'imprégnation de sel de fer, de préférence de nitrate de fer, chacune desdites imprégnations étant de préférence réalisée sous balayage de gaz sec, et la quantité de solution d'imprégnation, à tout moment, en contact avec le substrat ou la couche sous- jacente étant juste suffisante pour assurer la formation d'un film à la surface des particules de substrat ou de couche sous-jacente. Catalyseur 8
Le catalyseur B est un catalyseur solide à l'état divisé comprenant au moins un oxyde mixte incorporant au moins un élément métallique, dit élément métallique à valence mixte, susceptible de présenter au moins deux valences, Tune des valences dudst élément métallique à valence mixte étant égale à +2, au moins un tel élément métallique à valence mixte étant choisi dans le groupe formé du fer et du cobalt, chaque oxyde mixte présentant une structure cristalline unique.
Avantageusement et selon l'invention, au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B comporte au moins un élément métallique à valence mixte choisi dans le groupe formé du fer (Fe), du cobalt (Go), du molybdène (Mo), du nickel (Ni), du cuivre (Cu) et du manganèse ( n). Plus particulièrement, avantageusement et selon l'invention, au moins un élément métallique à valence mixte est choisi dans le groupe formé du fer (Fe), du cobalt (Co), du cuivre (Cu) et du nickel (Ni).
il est à noter qu'un oxyde mixte du catalyseur solide B peut comporter au moins un élément métaiiique à valence mixte présent à l'état d'oxydation +2, et aussi le même élément métallique dans un état d'oxydation distinct de +2. Par exemple, l'oxyde mixte du catalyseur peut comprendre de l'élément fer à l'état d'oxydation +2 et de l'élément fe à l'état d'oxydation +3.
Avantageusement et selon l'invention, au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B est de formule (II) générale suivante :
CzByAxFe 3-x..y-2}04 (11),
dans laquelle :
- A est un élément métaiiique à valence mixte - notamment choisi dans le groupe formé des métaux de transition -en particulier dans le groupe du fer (Fe), du cobalt (Co), du molybdène (Mo), du nickel (Ni), du cuivre (Cu), du manganèse ( n)- ;
■· B et C sont des éléments métalliques choisis dans le groupe formé du fer (Fe), du cobalt (Co), du molybdène (Mo), du nickel (Ni), du cuivre (Cu) et du manganèse (Mn), et ; - y et z sont des nombres réels (positifs ou nuis) choisis de sorte que 3≥ 3-x-y-z≥ 0,
Avantageusement x, y, z et (3-x-y-z) sont > 0. Au moins un oxyde mixte du catalyseur soiide B incorpore donc du fer (Fe) et trois autres éléments métalliques, dont au moins un élément métallique à valence mixte.
Avantageusement, au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B est de formule (II) générale dans laquelle 3 3-x-y-z > 0, c'est-à-dire 3-x-y-z est différent de 0.
Avantageusement, au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B est de formule (II) générale dans laquelle z = 0. Ainsi, au moins un oxyde mixte du catalyseur soiide est de formule (H!) générale suivante :
ByAxFe(3-x-y)Q4 (IIS),
dans laquelle ; 3≥ 3-x-y≥ 0.
Avantageusement, au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B est de formule (lli) générale dans laquelle 3 3~x~y > 0, c'est-à-dire 3-x-y est différent de 0.
Avantageusement, au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B est de formule (II) générale dans laquelle y = 0 et z = 0. Ainsi, au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B est de formule (IV) générale suivante :
Figure imgf000014_0001
dans laquelle : 3≥ 3-x > 0, c'est-à-dire x est dans l'intervalle [0, 3].
Avantageusement, au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B est de formule (III) générale dans laquelle : 3≥ 3-x > 0, c'est-à-dire 3-x est différent de O.
Avantageusement, x peut être égal à 1. L'oxyde mixte est alors de formule (!) générale ci-après. Il est aussi possible que x appartienne à l'intervalle [0 ; 1( ou à l'intervalle ]1 ; 3].
Ainsi, dans un procédé de production d'un assemblage de nanotubes de carbone et de graphène selon l'invention, le catalyseur solide B à l'état divisé comprend au moins un oxyde mixte de formule (I) générale suivante ;
AFe204 (I), dans laquelle :
~ A est un élément métallique, dit élément métallique à valence mixte, susceptible de présenter au moins deux valences, l'une des valences dudit élément métallique à valence mixte étant égale à +2 ;
- Fe est l'élément fer et O est l'élément oxygène.
Avantageusement, on choisit au moins un oxyde mixte du catalyseur solide dans le groupe formé des ferrites mixtes du fer et d'au moins un élément métallique à valence mixte choisi dans le groupe du cobalt (Co), du molybdène (Mo), du nickel (Ni), du cuivre (Cu), du manganèse (Mn). Plus particulièrement, avantageusement et selon l'invention, ledit élément métallique à valence mixte est choisi dans Se groupe formé du cobalt (Co), du cuivre (Cu) et du nickel (Ni).
Avantageusement le catalyseur solide est constitué d'un unique oxyde mixte. En particulier, on peut utiliser avantageusement un catalyseur solide formé d'un oxyde mixte choisi dans le groupe formé de CoFei oMoo.i04! e204, CuFe20 ,
Figure imgf000015_0001
CoFe20 î, Co2Fe04> et Coiî.gFeo.gC . D'autres ferrites mixtes ou oxydes mixtes à structure spinelle peuvent être utilisés. 11 est à noter qu'un catalyseur de ferrite de cobalt a déjà été utilisé dans un procédé de production de graphite par dépôt chimique en phase vapeur {Comas et al., (2005), Letters to the Editor, Carbon, 43, 2817-2833). En aucune façon, il ne s'agit d'un procédé de fabrication de graphêne au sens de la présente invention. Ce document n'enseigne ni un procédé de fabrication de graphêne, ni la caractéristique selon laquelle il est possible de fabriquer des particules solides de graphêne d'épaisseur contrôlée, notamment inférieure à 15 nm, en particulier en choisissant la taille moyenne du domaine cristallin unique du catalyseur de ferrite.
Par ailleurs, contrairement à l'enseignement de Akbamejad et al. (Catalytic effect of the spine! ferrite nanocrystaîs on the growth of carbon nanotufaes, Iran, 2011 ) qui décrit la synthèse de nanotubes de carbone en utilisant un mélange d'acétylène et d'argon comme composition gazeuse mise en contact avec un catalyseur solide de ferrite métallique, il est possible d'obtenir, non pas des nanotubes de carbone, mais du graphène lorsque l'on choisit de façon appropriée la composition gazeuse, les conditions opératoires et la taille moyenne du domaine cristallin du catalyseur solide.
Avantageusement, le catalyseur solide présente une structure de type « spinelle ». En particulier, au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B est un tétra-oxyde de structure de type spinelle, notamment une ferrite spinelle. Une ferrite à structure spinelle présente une structure cristalline de composition élémentaire générale
Figure imgf000016_0001
et dans laquelle A représente au moins un élément métallique tétraédrique, c'est-à-dire formant sensiblement le centre d'un tétraèdre dont les sommets sont formés par les atomes d'oxygène, et dans laquelle Fe est l'élément fer octaédrique, c'est-à-dire formant sensiblement le centre d'un octaèdre dont les sommets sont formés par les atomes d'oxygène.
Avantageusement, le catalyseur B est un solide à l'état divisé sous îa forme de particules cristallines, les particules étant collées les unes aux autres et séparées par des joints de grain. En particulier, les particules du catalyseur B sont des particules libres et non supportées sur un matériau inerte, Avantageusement et selon l'invention, le catalyseur solide à l'état divisé ne forme pas une couche de surface extérieure d'un matériau solide inerte qui ne présente pas les fonctions de catalyseur solide selon l'invention.
Avantageusement, le catalyseur B solide à l'état divisé est formé exclusivement du(des) oxyde(s) mfxte(s). En particulier, i"(les) oxyde(s) mixte(s) du catalyseur solide à l'état divisé est(sont) i'(ies) unique(s) constituant(s) du catalyseur B.
Avantageusement et selon l'invention, chaque oxyde mixte du catalyseur B présente une structure cristalline unique de taille moyenne comprise entre 1 nm et 250 nm, de préférence entre 2 nm et 200 nm, en particulier entre 2 nm et 50 nm, plus particulièrement entre 2 et 20 nm. La taille moyenne du domaine cristallin de chaque oxyde mixte du catalyseur B est adaptée pour produire du graphène présentant une épaisseur inférieure à 15 nm.
On détermine ia taille moyenne du(des) domaine(s) crista!iin(s) de ia structure cristalline unique du catalyseur B par des moyens connus de l'homme du métier, notamment par diffraction des rayons X (DRX)., en particulier par applicaiion de la formule Scherrer (Klug H. P. et Aiexander LE., (1974), X-ray diffraction procédures for poiycristalline and amorphous matériels, Wiley) ci- après :
d = β .cos θ / K X
dans laquelle :
d est le diamètre moyen du(des) domaine(s) crista!iin(s), K est le facteur de forme dont la valeur sans dimension est de 0,89, β est la valeur de la largeur à mi-hauteur de la raie de diffraction et Θ est l'angie de Bragg,
Le catalyseur B peut être préparé selon différentes techniques, notamment par combustion d'un gel de citrate (D, Segal, J. Mater. Chem., 1997, 7, 1297).
Un exemple d'un tel procédé de préparation d'un catalyseur B comprend les étapes suivantes :
- on prépare une solution, dite solution de nitrates, d'un nitrate de l'élément A et d'un nitrate de fer dans une solution aqueuse d'acide citrique à 0,4 mol/L, ia proportion molaire du nitrate de l'élément A et du nitrate de fer étant de l'ordre de 1/2, puis ;
- on ajuste le pH de la solution de nitrate à une valeur de pH 6, puis ;
- on place et on maintient ladite solution de nitrate à une température de l'Ordre de 80 °C pendant une durée adaptée pour permettre la formation d'un gel homogène, puis ;
- on chauffe ie gel homogène à une température de l'ordre de 200°C de façon à permettre une décomposition de l'acide citrique et une expansion du gel homogène en une mousse, puis ;
- on réalise un broyage de ladite mousse en une poudre que Ton chauffe à une température comprise entre 400°C et 800°C pendant une durée de cristallisation adaptée pour former îe catalyseur solide. Cette durée de cristallisation est en généra! comprise entre 1 heure et 24 heures.
Ce mode opératoire permet de former un catalyseur solide présentant, en diffraction des rayons X, une structure cristalline unique et une taille moyenne de domaine cristallin comprise entre 1 nm et 250 nm, notamment entre 10 nm et 200 nm.
Un autre mode de préparation d'un catalyseur B consiste à calciner une poudre d'oxaiate de fer et d'oxaiate de l'élément métallique A, tel que le cobalt, à une température de l'ordre de 8006C. On réalise une telle calcination à l'air atmosphérique et à pression atmosphérique.
Dans le procédé selon l'invention, selon une première étape a), on introduit dans un réacteur de synthèse un catalyseur comprenant un mélange d'un catalyseur A et d'un catalyseur B. Le catalyseur A et ie catalyseur B peuvent être introduits de façon successive (A puis B, ou B puis A) dans te réacteur, ou de façon simultanée (A et B).
Le mélange des catalyseurs A et B peut être réalisé préalablement à l'introduction dans le réacteur, notamment lorsque l'étape b) est réalisée en lit de catalyseur fixe par exemple dans un four horizontal.
Selon une variante préférée du procédé selon l'invention, lorsque l'étape b} est réalisée en lit fiuidisé, le mélange des catalyseurs A et B est réalisé lors de cette mise en lit fiuidisé, après introduction de chacun des catalyseurs dans le réacteur.
La réduction du mélange des 2 catalyseurs s'opère de préférence in-situ dans le réacteur de synthèse en lit fiuidisé entre les étapes a) et b), afin que celui-ci ne revoit pas l'air permettant ainsi aux métaux de ne pas se réoxyder.
Ledit catalyseur est ensuite porté à haute température, généralement entre 500°C et 1500CC, de préférence entre 500°C et 800°C, et mieux entre 6 0°C et 800°C (étape b). De façon surprenante et contrairement à l'enseignement de l'état de la technique, ii est possible selon le procédé de l'invention de synthétiser du graphène à une température inférieure à 000°C. Avantageusement et seion ie procédé de l'invention, on met en contact, selon l'étape c), le catalyseur solide et une source de carbone à l'état gazeux pendant une durée, dite durée de contact» adaptée pour permettre un dépôt chimique en phase vapeur de carbone sous forme d'un assemblage de NTC et de graphène à la surface dudit catalyseur,
La durée de contact est généralement comprise entre 1 sec et 60 min.
La source de carbone peut être choisie parmi des composés hydrocarbonés comportant de 1 à 12 atomes de carbone, notamment des hydrocarbures comportant de 1 à 12 atomes de carbone ou des alcools comportant de 1 à 12 atomes de carbone. Par exemple, la source de carbone est un alcane tel que le méthane, î'éthane, le butane, le propane, ou un alcène tel que i'éthylène, l'isopropylène, ie propyiène, le butène, ou ie butadiène, ou un alcyne tel que l'acétylène, ou encore le benzène, ou un alcool tel que ie méthanol, l'éthanol, l'isopropanol, le butanol, ou l'acétone ou du monoxyde de carbone, et leurs mélanges.
Avantageusement et selon l'invention, l'hydrocarbure présentant entre 1 et 12 atomes de carbone est choisi dans le groupe formé des alcanes, en particulier du méthane et de I'éthane, et des alcènes, en particulier de i'éthylène, de i'isopropylène, du propyiène, du butène et du butadiène, et leurs mélanges.
Avantageusement en variante selon l'Invention, la source de carbone est formée d'un mélange d'au moins deux des sources de carbone à l'état gazeux précitées.
Avantageusement, la source de carbone à l'état gazeux est choisie dans le groupe formé des composés hydrocarbonés, ladite source de carbone étant choisie à l'exclusion d'un mélange d'acétylène et d'argon à titre de gaz transporteur.
Cette source de carbone peut être d'origine renouvelable comme décrit dans la demande de brevet EP 1 980 530. L'alcène préférablement utilisé est I'éthylène. Avantageusement et selon i'invention, la source de carbone, et de préférence Péthylène, est mélangée dans l'étape c) à un flux d'un agent réducteur à l'état gazeux, par exemple à un flux d'hydrogène ou d'ammoniac. Le rapport source de carbone/agent réducteur est généralement compris entre 90/10 et 50/50, de préférence entre 90/10 et 60/40, de manière plus préférée entre 70/30 et 80/20.
En outre, il est possible d'adjoindre à la source de carbone un gaz inerte choisi dans le groupe formé des gaz nobles, notamment l'hélium, l'argon et l'azote.
On réalise le dépôt chimique en phase vapeur à une température, comprise entre 500° et 500°C, de préférence inférieure à 1000°C, et plus particulièrement comprise entre 50Q°C et 800°C, et mieux entre 610°C et 800°C. On réalise un tel dépôt à une pression inférieure ou égale à la pression atmosphérique ; un tel procédé ne nécessite donc pas, pour sa mise en œuvre, l'utilisation obligatoire d'un dispositif de maintien de l'enceinte du réacteur sous pression réduite.
Ainsi, le procédé de production d'un assemblage de NTC et de graphène peut être mis en œuvre dans des dispositifs industriels connus et l'assemblage de NTC et de graphène produit après l'étape de contact c) est récupéré directement en sortie du réacteur (étape d) .
Selon un mode de réalisation particulier du procédé de l'invention, la récupération des nanotubes de carbone et de graphène sous forme d'un assemblage NTC/GP fixé sur les grains cataiytiques et formant un réseau tridimensionnel enchevêtré peut être réalisée séquentiellement par soutirage à chaud c'est-à-dire, à la température de réaction pour la synthèse.
La séquence à laquelle sont réalisés les soutirages correspond à la fréquence de remplissage du réacteur, qui peut être contrôlé à l'aide d'une sonde placée à l'intérieur du réacteur. Les soutirages sont réalisés par le fond du réacteur au moyen d'une sortie au dessous du réacteur, Ladite sortie correspond à une sortie de vidange du réacteur munie d'un système obturateur de type vanne, ouvert de manière séquentielle, la sortie de ce système étant reliée à un conteneur de refroidissement et de stockage apte à recevoir la poudre de NTC/GP.
Dans un procédé de production d'un assemblage de NTC et de graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) seion l'invention, on choisît de façon appropriée la durée de contact de la source gazeuse de carbone et le rapport massique entre ie catalyseur A et le catalyseur B pour permettre un dépôt chimique en phase vapeur de carbone sous forme d'un assemblage de nanotubes de carbone et de graphène dans un rapport massique contrôlé. En effet, le rapport massique NTC/GP de l'assemblage récupéré en sortie du réacteur (étape d) peut être contrôlé en faisant varier le rapport massique entre le catalyseur A et le catalyseur B. Ce rapport NTC/GP peut être compris entre 1799 et 99/1 , de préférence entre 10/90 et 90/10, et mieux entre 20/80 et 80/20.
Les NTC obtenus dans l'assemblage NTC/GP ont un diamètre moyen allant de 0,1 à 200 nm, de préférence de 0,1 à 100 nm, plus préférentiellement de 0,7 à 50 nm, et mieux de 1 à 30 nm, et avantageusement une longueur de plus de 0,1 pm et avantageusement de 0,1 à 20 pm. Leur rapport longueur/diamètre est avantageusement supérieur à 10 et le plus souvent supérieur à 100. Leur surface spécifique est par exemple comprise entre 100 et 600 m2/g et leur densité apparente peut notamment être comprise entre 0,01 et 0,5 g/cmJ, préférentiellement entre 0,07 et 0,2 g/cm3.
Il s'agit de nanotubes de carbone mono-parois ou muiti-paro s, avantageusement de NTC multi-parois comportant par exemple de 5 à 15, de préférence de 7 à 10 parois.
Le graphène obtenu dans ['assemblage NTC/GP est sous la forme de particules solides de taille nanométrique présentant une épaisseur inférieure à 15 nm, notamment une épaisseur comprise entre 0,1 nm et 15 nm, de préférence de moins de 5 nm, et au moins une dimension latérale sensiblement perpendiculaire à ladite épaisseur comprise entre 0,1 pm et 500 pm, de préférence inférieure au micron et allant de 10 nm à moins de 1000 nm, eî comprenant de 1 à 50 feuillets, de préférence de 1 à 20 feuillets, et plus préférentieilement de 1 à 10 feuillets, voire de 1 à 5 feuillets.
Les inventeurs ont par ailleurs découvert qui! est possible de contrôler l'épaisseur du graphène en choisissant de façon appropriée la taille moyenne de domaine cristallin unique du catalyseur B, notamment la taille moyenne du domaine cristallin de chaque oxyde mixte du catalyseur B, et ia durée de contact avec ia source gazeuse de carbone.
En particulier, les inventeurs ont découvert qu'il est possible d'obtenir du graphène d'épaisseur plus élevée en augmentant la taille moyenne du domaine cristallin du catalyseur B lors de la synthèse. En outre, ils ont découvert qu'il est possible d'obtenir du graphène d'épaisseur moins élevée -notamment du graphène mono-feuillet- en choisissant un catalyseur B présentant des domaines cnsiallins de taille moyenne plus faible et une durée de contact diminuée.
Par ailleurs, le graphène peut être caractérisé par diffraction des rayons X car il présente une raie de diffraction (002) à une valeur 2 thêta (2q) comprise entre 26° et 27°, En outre, le procédé selon l'invention peut comprendre d'autres étapes
(préliminaires, intermédiaires ou subséquentes), pour autant qu'elles n'affectent pas négativement la production de l'assemblage NTC/GP,
Ainsi, après l'étape de contact du catalyseur solide et de la composition gazeuse, on peut réaliser un traitement de purification de l'assemblage NTC/GP de façon à obtenir un assemblage NTC/GP sensiblement exempt de catalyseur solide. Avantageusement, la proportion massique de catalyseur solide résiduel dans l'assemblage NTC/GP est inférieure à 1 %. Un tel traitement peut par exemple être réalisé à l'aide une solution aqueuse concentrée d'un acide minéral -notamment de l'acide sulfurique. On peut effectuer aussi une étape de traitement aux uitrasons pour permettre une séparation des feuillets du graphène et pour former des feuillets de graphène dissociés dans i'assemblage NTC/GP. L'invention porte également sur l'utilisation d'un catalyseur solide à l'état divisé comprenant au moins un oxyde mixte incorporant au moins un élément métallique, dit élément métallique à valence mixte, susceptible de présenter au moins deux valences, l'une des valences dudit élément métallique à valence mixte étant égale à +2, au moins un tel élément métallique à valence mixte étant choisi dans 1e groupe formé du fer et du cobalt, ledit oxyde mixte présentant une structure cristalline unique et comportant au moins un élément métallique â valence mixte choisi dans le groupe formé du fer (Fe), du cobalt (Co), du molybdène (Mo), du nickel (Ni), du cuivre (Cu) et du manganèse ( n), de préférence choisi dans le groupe formé du fe (Fe), du cobalt (Co), du cuivre (Cu) et du nickel (Ni), pour produire un assemblage de nanotubes de carbone et de graphène par décomposition catalytique d'une source de carbone à l'état gazeux à une température allant de 500°C à 800°C dans un réacteur à lit fiuidisé.
L'invention sera maintenant illustrée par les exemples suivants, qui n'ont pas pour but de limiter la portée de l'invention, définie par les revendications. Dans ces exemples, il est fait référence aux figures annexées dans lesquelles :
ia Figure 1 est un cliché au microscope électronique à transmission (grossissement : x 300 000) montrant des NTC obtenus selon l'exemple 4.
La Figure 2 est un cliché MET montrant du graphène obtenu selon l'exemple 5.
Les Figures 3 et 4 sont des ciichés MET montrant un assemblage de NTC/graphène obtenu selon le procédé selon l'invention (exemples 6 et 11 ). Les figures 5 et 6 sont les ciichés MET comparatifs d'un assemblage NTC/GP selon l'invention et d'un simple mélange NTC/GP pour une surface spécifique équivalente.
La figure 7 représente l'évolution de la résistivité en fonction du taux de graphène dans l'assemblage NTC/GP selon l'invention, comparativement à un simple mélange correspondant
EXEMPLES Préparation des catalyseurs
Exemple 1 ; Préparation d'un catalyseur Fe/Mo sur alumine pour la synthèse de nanotubes de carbone muiti-parois.
On a préparé un cataiyseur à partir d'alumine Puraiox® SCCa-5/150 de diamètre médian égal à environ 85 pm et de surface spécifique 160 rn2/g. Dans un réacteur de 1 L muni d'une double enveloppe chauffé à 120°C, on a introduit 100 g d'alumine et on a balayé à l'air. Au moyen d'une pompe, on a injecté alors en continu 80 ml d'une solution à 45 g/L de molybdate d'ammonium fétrahydraté, puis 560 mL d'une solution à 675 g/L de nitrate de fer nonahydraté. Le ratio visé (masse de métal/masse de catalyseur) étant de 32% pour le fer et 3% pour le molybdène, Sa durée d'addition a été de 25 h. Le catalyseur a ensuite été chauffé în-situ à 220 °C sous balayage d'air sec pendant 8 heures, puis placé dans un four à moufle à 400°C pendant 8 heures. Exemp]em2 : Préparation d'un catalyseur Fe/alumïne pour ia synthèse de nanotubes de carbone multi-parois.
On a préparé un cataiyseur Fe/A^Oa à partir d'alumine Puraiox® SCCa-5/150 de diamètre médian éga! à environ 85 pm et de surface spécifique 160 m2/g. Dans un réacteur de 1 L muni d'une double enveioppe chauffé à 120°C, on a introduit 100 g d'alumine et on a balayé à i'atr. Au moyen d'une pompe, on a injecté alors en continu 560 mL d'une solution à 720 g/L de nitrate de fer nonahydraté. Le ratio visé (masse de métal/masse de catalyseur) étant de 35% pour ie fer, ia durée d'addition a été de 25 h. Le catalyseur a ensuite été chauffé ïn-situ à 220 °C sous balayage d'air sec pendant 8 heures, puis placé dans un four à moufle à 400°C pendant 8 heures. Exemple 3 : Préparation d'un catalyseur CoFe2Û4 pour ia synthèse de graphène.
Dans un bêcher de 250 mL, on a préparé 37,5 ml d'une solution aqueuse d'acide citrique à une concentration de 0,4 M, à laquelle on a ajouté 1 ,1 g de nitrate de cobalt (Co(N03)2), 6H20) et 3,1 g de nitrate de fer (Fe(N03)3), 9H20). On a ajusté ie pH de la solution obtenue à une valeur de 6 par addition, goutte à goutte et sous agitation, d'ammoniaque (NH4OH). Le rapport molaire entre îe nitrate de fer et le nitrate de cobalt dans la solution aqueuse est sensiblement de Tordre de 2. On a placé cette solution aqueuse dans un cristailisoir en pyrex à une température de 80°C pendant une durée sensiblement de i'ordre de 12 h de façon à former un gel homogène sensiblement déshydraté.
On a chauffé Se gei homogène ainsi obtenu à une température de l'ordre de 200°C de façon à décomposer l'acide citrique. On a observé alors l'expansion du gel homogène en une mousse que l'on a laissé se développer pendant environ 30 min jusqu'à stabilisation. On a broyé ensuite délicatement cette mousse de façon à former une poudre que l'on a chauffée à une température de 400°C pendant 4 heures à l'air atmosphérique. On a obtenu ainsi une poudre cristalline de ferrite de cobalt.
Cette poudre présente une unique phase d'oxyde possédant une structure de type spinelie avec une taille de domaine cristallin comprise entre 14 nm et 20 nm (déterminée par diffraction des rayons X) et une aire de surface spécifique de 7 m2/g.
Synthèse de NTC et/ou graphène Exempfe 4 : Synthèse de nanotubes de carbone {NTC) par dépôt chimique en phase vapeur en réacteur à lit fluidisé.
On a effectué un test cataiytique en mettant une masse d'environ 600 mg du cataiyseur de l'exempte 1 dans un réacteur en quartz de 2,5 cm de diamètre et de 10 cm de hauteur de chauffe efficace.
On a chauffé à 850 °C sous 0,66 L/mn d'azote pendant 30 minutes puis on a maintenu un palier de réduction pendant 30 minutes sous 0,5 L/mn d'azote et 0,16 L/mn d'hydrogène. Une fois ce palier terminé, on a introduit un débit d éthylène de 0,5 L/mn et d'hydrogène de 0,16 L/mn. Après 15 minutes, on a arrêté ie chauffage et on a refroidi ie réacteur sous un courant d'azote de 0,66 L/mn. La quantité de produit récupéré en fin de réaction a été de 3,5 g.
L'observation au microscope électronique à transmission des NTC produits dans cet essai est représentée à la Figure 1.
Exemple 5 : Synthèse de graphène (GP) par dépôt chimique en phase vapeur en réacteur à lit fixe.
On a réalisé une synthèse de graphène dans un réacteur en quartz horizontal. On a placé 20 mg de la poudre de catalyseur obtenue à l'exemple 3 dans un creuset en alumine que l'on a placé au centre d'un réacteur tubulaire horizontal à quartz de diamètre intérieur de Tordre de 18 mm. On a chauffé la poudre de cataiyseur, sous un flux gazeux formé d'hydrogène (H2, 53 cm3/min) et d'argon (Ar, 160 cm3/mîn), jusqu'à la température de 650°C selon un gradient de température de 630 /Η. Lorsque ia température a atteint 650°C, on a introduit de l'éthylène (C-2H4, 32 cm3/min) dans le mélange gazeux et on a maintenu ie flux gazeux et ia température pendant une durée d'une heure. Après 1 h, on a arrêté le chauffage et les flux gazeux d'éthylène et d'hydrogène. La poudre obtenue a été refroidie jusqu'à ia température de 300°C sous argon. La quantité de produit récupéré en fin de réaction a été de 220 mg.
L'observation au microscope électronique à transmission du graphène produit dans cet essai est représentée à ia Figure 2.
Exemple 6 (selon l'invention) : Synthèse d'un assemblage de nanotubes de carbone / graphène (NTC/GP) par dépôt chimique en phase vapeur en réacteur à lit fluidisé (diamètre 2,5 cm).
On a effectué un test catalytique en mettant une masse d'environ 300 mg du catalyseur de l'exemple 1 et d'environ 300 mg du catalyseur de l'exemple 3 dans un réacteur en quartz de 2,5 cm de diamètre et de 10 cm de hauteur de chauffe efficace.
On a chauffé à 650 °C sous 0,66 L/mn d'azote pendant 30 minutes puis on a maintenu un paiier de réduction pendant 30 minutes sous 0,5 L/mn d'azote et 0,16 L/mn d'hydrogène. Une fois ce palier terminé, on a introduit un débit d'éthylène de 0,5 L/mn et d'hydrogène de 0,16 L/mn, Après 15 minutes, on a arrêté le chauffage et on a refroidi le réacteur sous un courant d'azote de 0,66 L/mn. La quantité de produit récupéré en fin de réaction a été de 3,5 g.
L'observation au microscope électronique à transmission de ce produit a confirmé la synthèse simultanée de NTC et de graphène (Figure 3). Le ratio massique NTC/GP théorique est de 60/40.
La productivité de la synthèse est déterminée comme le rapport de fa masse de poudre composite obtenue sur la masse de catalyseur de départ La productivité pour cette synthèse a été de 4,8.
L'observation au microscope électronique à transmission du mélange NTC/graphène produit dans cet essai est représentée à la Figure 3.
Le ratio NTC/GP peut être vérifié par analyse thermogravtmétrique. Exemple 7 (selon l'invention) : Synthèse d'un assemblage de nanotubes de carbone / graphène (NTC/GP) par dépôt chimique en phase vapeur en réacteur à iit fluidisé (diamètre 5 cm).
On a effectué un test catalytsque en mettant une masse d'environ 1 ,3 g du catalyseur de l'exemple 1 et d'environ 1 ,3 g du catalyseur de l'exemple 3 dans un réacteur en quartz de 5 cm de diamètre et de 1 mètre de hauteur de chauffe efficace.
On a chauffé à 650 °C sous 2,66 L/mn d'azote pendant 30 minutes puis on a maintenu un palier de réduction pendant 30 minutes sous 2 L/mn d'azote et 0,66 L/mn d'hydrogène. Une fois ce palier terminé, on a introduit un débit d'éthylène de 2 L/mn et d'hydrogène de 0,66 L/mn. Après 60 minutes, on a arrêté le chauffage et on a refroidi le réacteur sous un courant d'azote de 2 L/mn. La quantité de produit récupéré en fin de réaction a été de 33 g. Le ratio massique NTC/GP théorique clans cet essai est de 70/30,
La productivité pour cet essai a été évaluée à 11 ,1.
Exempte 8 {selon l'invention) : Synthèse d'un assembiage de nanotubes de carbone / graphène {NTC/GP) par dépôt chimique en phase vapeur en réacteur à lit fluidisé.
On a reproduit tes mêmes conditions que l'exemple 7, mais en mettant en œuvre une masse d'environ 1,9 g du catalyseur de l'exemple 1 et d'environ 0,6 g du catalyseur de t'exempie 3,
La quantité de produit récupéré en fin de réaction a été de 47 g. Le ratio massique NTC/GP théorique est de 90/10 et une productivité de 21 ,4 a été obtenue.
Exemple 9 (selon l'invention) ; Synthèse d'un assembiage de nanotubes de carbone / graphèn (NTC/GP) par dépôt chimique en phase vapeur en réacteur à Ht fluidisé.
On a reproduit les mêmes conditions que l'exemple 7, mais en remplaçant le catalyseur de l'exemple 1 par le catalyseur de l'exemple 2. L'essai a ainsi été réalisé avec une masse d'environ 1 ,9 g du catalyseur de l'exemple 2 et d'environ 0,6 g du catafyseur de l'exemple 3.
La quantité de produit récupéré en fin de réaction a été de 23 g. Le ratio massique NTC/GP théorique est de 80/20 et une productivité de 12,4 a été obtenue. Exemple 10 (selon l'invention) : Synthèse d'un assemblage de nanotubes de carbone / graphène par dépôt chimique en phase vapeur en réacteur à iit fluidisé.
On a effectué un test cataiytîque dans tes mêmes conditions que l'exemple 9 en mettant une masse d'environ 2,3 g du catalyseur de l'exemple 2 et d'environ 0,3 g du catalyseur de l'exemple 3.
La quantité de produit récupéré en fin de réaction a été de 29 g. Le ratio massique NTC/GP théorique est de 90/10 et une productivité de 11 ,3 a été obtenue.
Exemple 11 (selon l'invention) : Synthèse d'un assembiage de nanotufaes de carbone / graphène par dépôt chimique en phase vapeur en réacteur à lit fiuidisé.
On a utilisé le réacteur de l'exemple 7 avec une masse d'environ 0,5 g du catalyseur de l'exemple 1 et d'environ 0,5 g du catalyseur de l'exemple 3.
On a chauffé à 650 °C sous 0,3L/mn d'azote et 0,3 L/min d'hydrogène pendant 70 minutes. Une fois ce temps écoulé, on a introduit un débit d'éthyiène de 1 L/mn, d'hydrogène de 0,75 L/mn et un débit d'azote de 0,2 L/min. Après 20 minutes, on a arrêté le chauffage et on a refroidi Se réacteur sous un courant d'azote de 2 L/mn. La quantité de produit récupéré en fin de réaction a été de 8 g. Le ratio massique NTC/GP dans cet essai est de 50/50.
La productivité pour cet essai a été évaluée à 6,5.
L'observation au microscope électronique à transmission du mélange NTC/graphène produit dans cet essai est représentée à la Figure 4,
Les résultats des exemples 6 à 11 selon l'invention sont résumés dans le tableau 1 ci-après :
Figure imgf000029_0001
Exemple 12 : Comparaison d'un assemblage NTC/GP selon l'invention et d'un mélange synthétique de NTC/GP.
La comparaison des 2 produits a été effectuée sur la base de l'observation au microscope électronique et sur la détermination du volume poreux pour une surface spécifique sensiblement équivalente. Les mesures de fa surface spécifique BET et du volume poreux ont été réalisées en accord avec la norme NF ISO 9277 en appliquant la loi BET pour la surface spécifique et le modèle BJH pour le volume poreux.
On a préparé un mélange NTC/GP synthétique à partir d'un mélange physique sous agitation mécanique de NTC et de graphène synthétisés séparément à l'aide des mêmes catalyseurs respectifs et conditions opératoires. L'agitation a été réalisée de façon à obtenir un mélange homogène. On a préparé un mélange présentant une surface spécifique sensiblement équivalente à celle d'un assemblage obtenu selon le procédé de l'invention.
Figure imgf000030_0001
Tableau 2
A surface spécifique sensiblement identique {rapport NTC/GP sensiblement identique), ie volume poreux de l'assemblage NTC/GP selon l'invention est significativement inférieur â celui du simple mélange NTC/GP. Ceci est en accord avec une forte interpénétration des réseaux de NTC et de graphène dans l'assemblage conduisant à un faible espace vide.
Les Figures 5 et 6 représentent respectivement les clichés MEB de l'assemblage NTC/GP 45/55 et du mélange synthétique NTC/GP 40/60. Ces observations mettent en évidence ('importante interaction entre ies NTC et le GP dans l'assemblage NTC/GP seion l'invention, les structures NTC et GP étant imbriquées i'une dans l'autre. Pour le mélange, on ne retrouve pas cette interaction entre ies deux produits.
En terme de conductivité électrique après dispersion dans le PC, ies assemblages NTC/GP restent toujours supérieurs aux mélanges synthétiques correspondanis (conditions 270°C, vitesse des vis 200 rpm, Lexan 126, 2% de charges carbonées), comme le montre la figure 7.

Claims

REVEND!CAT ONS
1. Procédé de production d'un assemblage de nanotubes de carbone et de graphène par décomposition à haute température d'une source de carbone à l'état gazeux caractérisé en ce que ia source de carbone est mise en contact avec un catalyseur comprenant un méiange d'un catalyseur A actif pour la synthèse de nanotubes de carbone et d'un catalyseur B solide à l'état divisé sous forme de particules libres non supportées sur un matériau inerte, actif pou la synthèse de graphène,
2. Procédé sefon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend au moins es étapes suivantes :
a) l'introduction dans un réacteur de synthèse, notamment la mise en lit fluidisé dans ledit réacteur, d'un catalyseur comprenant un méiange d'un catalyseur A actif pour ia synthèse de nanotubes de carbone et d'un catalyseur B solide à l'état divisé sous forme de particules libres non supportées sur un matériau inerte actif pour Sa synthèse de graphène, 1e catalyseur A et le catalyseur B étant introduits de façon successive ou de façon simultanée dans le réacteur ;
b) le chauffage dudit catalyseur dans le réacteur, à une température comprise entre 500°C et 1500°C, de préférence entre 500°C et 800°C ;
c) ia mise en contact d'une source gazeuse de carbone, avec le catalyseur de l'étape b), éventuellement en lit fluidisé, pour former en surface dudit catalyseur un assemblage de nanotubes de carbone et de graphène par décomposition cataiytique de la source de carbone ;
d) la récupération de l'assemblage de nanotubes de carbone et de graphène produits en c) en sortie du réacteur.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le catalyseur A actif pour la synthèse de nanotubes de carbone est un catalyseur comprenant au moins un métal cataiytique supporté par un substrat Inerte.
4. Procédé se!on l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le catalyseur B actif pour la synthèse de graphène est un catalyseur solide à l'état divisé comprenant au moins un oxyde mixte incorporant au moins un élément métallique, dit élément métallique à valence mixte, susceptible de présenter au moins deux valences, l'une des valences dudit élément métallique à valence mixte étant égaie à +2, au moins un tel élément métallique â valence mixte étant choisi dans le groupe formé du fer et du cobalt, chaque oxyde mixte présentant une structure cristalline unique.
5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit oxyde mixte du catalyseur solide B comporte au moins un élément métallique à valence mixte choisi dans le groupe formé du fer (Fe), du cobalt (Co), du molybdène (Mo), du nickel (Ni), du cuivre (Cu) et du manganèse (Mn), de préférence choisi dans le groupe formé du fer (Fe), du cobalt (Co), du cuivre (Cu) et du nickel (Ni),
6. Procédé selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce qu: au moins un oxyde mixte du catalyseur solide 8 est de formule suivante :
CzByAxFe(^.y-z)04 (If),
dans laquelle :
- A est un élément métallique à valence mixte - notamment choisi dans le groupe formé des métaux de transition -en particulier dans le groupe du fer (Fe), du cobalt (Co), du molybdène (Mo), du nickel (Ni), du cuivre (Cu), du manganèse (Mn)- ;
- B ei C sont des éléments métalliques choisis dans le groupe formé du fer (Fe), du cobalt (Co), du molybdène (Mo), du nickel (Ni), du cuivre (Cu) et du manganèse (Mn), et ;
- x, y et z sont des nombres réels (positifs ou nuls) choisis de sorte que 3 3-x-y-z 0.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce qu'au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B est de formule suivante AFeaCLj (I),
dans laquelle :
- A est un élément métallique, dit élément métallique à valence mixte, susceptible de présenter au moins deux valences, l'une des valences dudit élément métallique à valence mixte étant égale à +2, de préférence choisi dans le groupe du cobalt (Go), du molybdène (Mo), du nickel (Ni), du cuivre (Cu), du manganèse (Mn).
- Fe est l'élément fer et O est l'élément oxygène.
8. Procédé selon l'un quelconque des revend icationss 4 à 7 caractérisé en ce que le catalyseur B présente une structure spineile, notamment au moins un oxyde mixte du catalyseur solide B est un téfra-oxyde de structure de type spineile, notamment une ferrite spinelie.
9. Procédé selon Tune quelconque des revendications 4 à 8 caractérisé en ce que chaque oxyde mixte du catalyseur B présente une structure cristalline unique de taille moyenne comprise entre 1 nm et 250 nm, de préférence entre 2 nm et 200 nm.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, lorsque i'éîape b) est réalisée en lit fiuidisé, le mélange du catalyseur A actif pour la synthèse de nanotubes de carbone et du catalyseur 8 actif pour Sa synthèse de graphène est réalisé lors de cette mise en lit fiuidisé.
1 1 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ia source de carbone est choisie dans le groupe formé des composés hydrocarbonés comportant de 1 à 12 atomes de carbone.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ia durée de contact de Sa source gazeuse de carbone et le rapport massique entre le catalyseur A et le catalyseur B sont adaptés pour permettre un dépôt chimique en phase vapeur de carbone sous forme d'un assemblage de nanotubes de carbone et de graphène dans un rapport massique contrôlé.
13. Assemblage de nanotubes de carbone et de graphène susceptible d'être obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications précédentes.
14. Assemblage de nanotubes de carbone et de graphène selon la revendication 13 ou obtenu selon te procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le rapport massique entre ies nanotubes de carbone et le graphène est compris entre 1/99 et 99/1 , de préférence entre 10/90 et 90/10.
15. Assemblage de nanotubes de carbone et de graphène selon îa revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que les nanotubes de carbone sont des nanotubes de carbone multi -parois.
16. Assemblage de nanotubes de carbone et de graphène selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce que le graphène est sous la forme de particules solides de taille nanométrique présentant une épaisseur inférieure à 15 nm, notamment comprise entre 0,1 et 15 nm, et au moins une dimension latérale sensiblement perpendiculaire à ladite épaisseur comprise entre 0,1 pm et 500 pm, et comprenant de 1 à 50 feuillets.
17. Assemblage de nanotubes de carbone et de graphène selon l'une quelconque des revendications 13 à 18 caractérisé en ce que son volume poreux est inférieur au volume poreux d'un mélange synthétique de NTC et de graphène pour une surface spécifique équivalente.
18. Utilisation de l'assemblage de nanotubes de carbone et de graphène selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, ou obtenu selon le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans une matrice polymère pour la fabrication de matériaux composites présentant des propriétés de conduction électrique et/ou thermique améliorées et/ou des propriétés mécaniques, notamment de résistance à i'élongation, améliorées.
19. Utilisation de l'assemblage de nanotubes de carbone et de graphène selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, ou obtenu selon le procédé selon Tune quelconque des revendications 1 à 12, dans des matériaux composites destinés à la fabrication de dispositifs de transport ou de stockage de fluides, tels que des tuyaux, des réservoirs, des conduites offshore ou des durites, ou pour la fabrication d'électrodes compactes ou poreuses, notamment de supercapacités ou de batteries, ou de capot ou de face arrière d'un appareil électronique.
20. Utilisation d'un catalyseur solide à l'état divisé comprenant au moins un oxyde mixte incorporant au moins un élément métallique, dit élément métallique à valence mixte, susceptible de présenter au moins deux valences, l'une des valences dudtt élément métallique à valence mixte étant égaie à +2, au moins un tel élément métallique à valence mixte étant choisi dans le groupe formé du fer et du cobalt, ledit oxyde mixte présentant une structure cristalline unique et comportant au moins un élément métallique à valence mixte choisi dans le groupe formé du fer (Fe), du cobalt (Go), du molybdène (Mo), du nickel (Ni), du cuivre (Cu) et du manganèse ( n), de préférence choisi dans le groupe formé du fer (Fe), du cobalt (Co), du cuivre (Cu) et du nickel (Ni), pour produire un assemblage de nanotubes de carbone et de graphène par décomposition catalytique d'une source de carbone à l'état gazeu à une température allant de 500°C à 800°C dans un réacteur à lit fîuidisé.
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