Thèse soutenue le 19 janvier 2024 pour obtenir le grade de docteur de l'Université Grenoble Alpes - Spécialité : Chimie Physique Moléculaire et Structurale
Résumé :
Pour rendre les supercondensateurs encore davantage attractifs pour les applications dans le domaine du stockage de l’énergie, il est nécessaire de lever le verrou associé à leur faible densité d’énergie. Pour y parvenir, le graphène est un matériau prometteur car sa surface développée théorique devrait lui permettre d’atteindre une capacité électrochimique à double couche de 550 F/g. Or la méthode de synthèse employée pour le produire en suffisamment grande quantité est l’exfoliation chimique du graphite qui conduit à l’obtention d’ oxyde de graphène réduit (rGO), dont les feuillets sont réempilés, ce qui limite expérimentalement l’exploitation de toute la surface développée pour l’électro-adsorption. Le greffage de molécules organiques, aussi appelées « piliers » car intercalées entre les feuillets de graphène, s'est avérée être une technique efficace pour limiter les interactions π-π et empêcher partiellement le réempilement des feuillets de rGO. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre cette nouvelle classe de matériaux et leur emploi comme matériau d’électrode pour supercondensateurs. Le cœur de ces travaux de compréhension a consisté à essayer de corréler les propriétés physico-chimiques de 3 graphènes pontés (obtenus à partir de 3 différents piliers organiques) et du rGO (matériau de référence), aux performances de stockage de ces matériaux en milieu H2SO4 pour atteindre les performances les plus élevées, mais aussi en milieu neutre pour étudier les phénomènes d'appariement entre la taille des micropores crées (d-spacing) et le diamètre des ions électrolytiques. Ces travaux ont confirmé l’intérêt du pontage pour ouvrir de nouveaux sites d’électro-adsorption, puisque les échantillons pontés présentent tous une capacité supérieure à celle du rGO dans tous les électrolytes testés. Ils confirment également l’importance de l’espacement inter-feuillet de graphène, ainsi que de la densité de C=O dans l’obtention de ces capacités augmentées. Ces travaux ont ainsi permis d’acquérir de nouvelles connaissances sur ces assemblages, et de proposer de nouvelles pistes d’optimisation. Malgré l’efficacité des graphènes pontés, la plupart de leurs méthodes de préparation ne sont généralement pas écologiques car elles impliquent l’utilisation d’hydrate d’hydrazine (Hz) comme agent réducteur. L'acide L-ascorbique (L-AA), communément appelé vitamine C, s'est révélé être un agent réducteur efficace, offrant un processus de réduction « vert ». Ainsi, les travaux réalisés dans une seconde partie de cette thèse ont visé à rationaliser les paramètres de réaction importants (la quantité de L-AA et la durée de la réaction) permettant d’obtenir un rGO-VitC le plus réduit possible. Les relations entre les conditions expérimentales et les propriétés physico-chimiques, structurelles et morphologiques intrinsèques des différents rGO-VitC ont été mises en évidence. De façon inattendue, on observe des conditions de réduction optimum pour des conditions de synthèse intermédiaires (quantité de L-AA élevée mais temps de réaction court). Ces observations ont conduit à la réalisation d’expériences de contrôles (RPE) révélant notamment la présence du radical ascorbyle. Ensuite, le rGO-VitC a montré des performances électrochimiques supérieures à celles du rGO-Hz (électrolytes acides, basiques et neutres). Les résultats obtenus ouvrent la voie à l'utilisation du L-AA comme méthode de réduction éco-responsable, non seulement pour obtenir du rGO, mais également pour préparer des matériaux tels que les graphènes pontés.
Jury :
Rapporteure : Mme Camelia Ghimbeu
Rapporteur : M. Charles Cougnon
Examinateur : M. Patrice Simon
Examinateur : M. Saïd Sadki
Directeur de thèse : M. Lionel Dubois
Co-directrice de thèse : Mme Florence Duclairoir
Mots clés :
Supercondensateurs, Fonctionnalisation, Électrochimie, Caractérisation, Graphène, Acide ascorbique