Propriétés de stockage de charge de matériaux nanostructurés à base de carbone
Le principe de fonctionnement des dispositifs de stockage de l’énergie réside dans l'insertion ou l'adsorption réversible d’ions au sein du matériau d’électrode. Un des phénomènes extrêmement complexe de ces dispositifs repose sur les interactions entre l’électrode et les ions/solvant présents dans l'électrolyte. Nous consacreront donc une partie de nos activités pour étudier les propriétés des films à base de nanotubes de carbone et d’oxyde de graphène réduit pour la mise au point de condensateurs électrochimiques à double couche (EDLC).
Une approche originale pour caractériser l'adsorption ou l'insertion des ions au sein de ces matériaux est basée sur une microbalance à quartz couplée à l’électrochimie (EQCM) où des travaux récents ont montré la pertinence cette QCM. Mais, les phénomènes cinétiques de transfert des ions, leur solvatation, le rôle du solvant libre et les phénomènes de permsélectivité, ne peuvent pas être étudiés en détail avec cette approche classique ; celle-ci ne donne qu’une réponse globale et non résolue en temps. En raison de ces limites, la détermination exacte des différentes espèces qui contribuent aux différents processus de compensation de charge reste difficile à trouver. Pour cette raison, nous proposons une méthode basée sur une microbalance à quartz en régime rapide (l’ac-électrogravimétrie).
Figure 1. L’ac-électrogravimétrie déconvolue la réponse globale de l’EQCM, avec des films de CNTs,
en contribution des différentes espèces avec des informations cinétiques de transfert de chacune des especes.1
(a) Étude du transfert ionique au sein de films de nanotubes de carbone (CNT) :
L’électrode composite à base de CNT ont été déposée sur l'électrode d'or de la microbalance à quartz. La nature chimique et le rôle de chaque espèce (anion, cation, cation solvaté, solvant libre) directement ou indirectement impliqués dans le stockage de charges, ont été mis en évidence. Cela signifie que l'ac-électrogravimétrie permet d’analyser finement la réponse globale donnée par l’EQCM et apporte des informations supplémentaires sur la cinétique des différents transferts (Figure 1).
Ces résultats ont fourni une validation de notre méthode électrogravimétrique et ils nous ont menés à étudier d'autres matériaux d'électrode d’intérêt à base de carbone tels que les oxydes de graphène réduit.
(b) Étude du transfert ionique au sein de films mince d’oxyde de graphène (GO) réduit électrochimiquement (ERGO) :
Les films de GO ont été déposés sur l'électrode d'or d’une microbalance à quartz suivi par une réduction électrochimique. Nous avons étudié l'effet de la taille de cations sur la dynamique d’électroadsorption au niveau de l'interfaces électrode/ électrolyte. La présence de plus d'une espèce qui participe au phénomène de stockage de charge avec des cinétiques différentes a pour la première fois été montrée expérimentalement grâce à notre étude par ac-électrogravimétrique. Ces résultats sont importants pour choisir les combinaisons optimales d’électrode/électrolyte (taille d’ions dans l’électrolyte, etc.) pour obtenir des dispositifs de type supercondensateur plus performants.
Figure 2. Clichés MET d’oxyde de graphène (GO) réduit et étude par l’ac-électrogravimétrie de l'effet de la taille du cation sur la dynamique d’électroadsorption.2
Nos publications :
1) F. Escobar-Teran, A. Arnau, J.V. Garcia, Y. Jiménez, H. Perrot, O. Sel, Gravimetric and dynamic deconvolution of global EQCM response of carbon nanotube based electrodes by Ac-electrogravimetry, Electrochem Comm. 2016, 70, 73-77.
2) H. Goubaa, F. Escobar-Teran, I. Ressam, W. Gao, A. El Kadib, I. T. Lucas, M. Raihane, M. Lahcini, H. Perrot, O. Sel, Dynamic Resolution of Ion Transfer in Electrochemically Reduced Graphene Oxides Revealed by Electrogravimetric Impedance, J. Phys. Chem C 2017, 121, 9370–9380.
Thèses soutenue et en cours :
- Thèse UPMC de M. Freddy Escobar-Teran, “Elaboration et caractérisation de films de carbone structurés pour des applications dans le domaine de l’énergie” (soutenue le 30 septembre 2016)
- Thèse UPMC de M. Wanli Gao, “Investigation of electromechanical properties of conducting polymers for energy storage applications” (thèse UPMC – China Scholarship Council Grant, depuis octobre 2015)