Par Yassine Ben Cherifi
Équipe Conception d’Architectures Moléculaires et Processus Electroniques (CAMPE)
Le mécanisme de fonctionnement d'un supercondensateur est basé sur l'électro-adsorption d'espèces électrolytiques à la surface de matériaux d'électrodes carbonés poreux polarisés. Le graphène est étudié comme matériau pour essayer d’atteindre des capacités de stockage (CSP) plus élevées, car – en théorie – il présente une grande surface spécifique maximisant le nombre d’ions adsorbés, ainsi qu’une porosité hiérarchique pour favoriser la diffusion des ions. Cependant expérimentalement, la CSP obtenue reste limitée car les feuillets de graphène se réagrègent. Une voie suivie pour limiter ce problème est de placer une molécule « hôte » entre deux feuillets de graphène, conduisant à l’obtention de graphène ponté (PGM). De précédent travaux ont permis de mettre en évidence de façon indirecte (électrochimiquement) que le paramètre structural d, qui correspond à la distance inter-feuillet, peut être modulé permettant d’atteindre des CSP plus élevées. Ces informations sont particulièrement importantes, et appellent à être complétées par des caractérisation directes de ces échantillons.
Aussi au cours de ces travaux de thèse, l’échelle locale de ces matériaux (oxyde de graphène GP, oxyde de graphène réduit chimiquement rGO ou de façon hydrothermale, graphène ponté PGM) a été sondée en effectuant des analyses WAXS, qui ont mis en évidence que les PGM présentent des domaines de graphène ponté qui coexistent avec des feuillets de graphène partiellement empilés. Des études de la méso-structure, réalisées par SANS, ont révélé que la structure du GO évolue fortement lors des étapes de fonctionnalisation et réduction. En effet le GO présente une morphologie en feuillet très large avec des interfaces rugueuses, qui se transforme en feuillets de plus petites dimensions post-réduction, et qui exhibe une structuration 3D post-pontage. Ces analyses SANS ont par ailleurs montré la présence de tailles caractéristiques décelables au sein des échantillons, telles que la longueur de repli R ou les longueurs de persistance Σ. Une étude SANS de porosité par l’invariant, a permis de démontrer que la méso-porosité d’un rGO est deux fois supérieure à celle d’un PGM. Malgré cette différence, les PGM ont montré des performances électrochimiques supérieures au rGO, soulignant l’importance des micropores dans le processus électrochimique.
Il est important de suivre comment cette structure est impactée lorsque ces matériaux sont soumis à des cycles de charge et de décharge rapides et répétitifs. Pour cela, des tests électrochimiques ainsi que des caractérisations in-situ/operando ont été effectués en électrolyte organique comprenant des cations de diamètre inférieur (TEA+) ou supérieur (THA+) à la distance inter-feuillet de graphène. L’étude WAXS a permis de constater que l’échantillon ponté est bien plus stable en polarisation et en cyclage, que le rGO qui souffre d’une évolution structurale significative.
Pour aller plus loin dans l'étude des processus d'adsorption mis en jeu dans ces matériaux, une étude de SANS in-situ, basées sur les modulations de contraste liées aux modifications relatives de quantité de cations (contenant des atomes d’H) et d’anions (contenant des atomes de B) a été menée. Ainsi, on constate qu’au sein de l’échantillon ponté les ions THA+ ions sont concentrés dans la gamme de porosité autour des 14 nm, indiquant que ces ions ne peuvent accéder à la plus petite porosité. Cet effet de blocage n’est pas observé dans le cas du cyclage dans TEA BF4, puisque les cations TEA+ sont distribués au sein de toute la gamme de porosité. Ainsi ces études montrent que la méso-porosité des échantillons pontés est active dans les mécanismes de transport et de stockage.
Ces travaux de thèse ont donc permis d’approfondir la compréhension de la structure et de la porosité des matériaux à base de GO, ainsi que de caractériser l’électro-diffusion et -adsorption au sein de la méso-porosité des échantillons pontés. Ces travaux constituent également une méthodologie de caractérisation qui pourrait être appliquée à l’étude d’autres matériaux, contribuant ainsi à faire progresser les travaux sur l’optimisation des supercondensateurs.