Thèse soutenue

Nanocomposites à base de graphene pour des applications dans le stockage de l’énergie et la catalyse
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Auteur / Autrice : Yuan Li
Direction : Fabien MiomandreYong Lu
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Chimie
Date : Soutenance le 20/07/2016
Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec East China normal university (Shanghai)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1993-....)
établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
Jury : Président / Présidente : Patrice Simon
Examinateurs / Examinatrices : Fabien Miomandre, Yong Lu, Christine Mousty, Philippe Blanchard, Stéphane Campidelli, Valérie Alain, Pierre Audebert
Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Mousty, Philippe Blanchard

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Matériaux à base de graphène et d’oxyde de graphène ont attiré une grande attention depuis sa découverte. Cependant, comme la feuille de graphène a une surface spécifique élevée, il tend à former un agglomérat irréversible ou même empiler pour former le graphite par π-π empilage et Van-der Waals interactions. Les modifications doivent être faites pour séparer les feuilles de graphène sans apporter trop de dégâts dans sa structure aromatique. Dans cette thèse, nous avons lancé deux méthodes pour faire la modification du graphène, réaction de substitution nucléophile pour l’oxyde de graphène avec un C/O ~ 2 (FGS2), tandis que la demande électronique inverse réaction de Diels-Alder pour l’oxyde de graphène avec un très faible teneur en oxygène C/O ~ 20 (FGS20). Comme dans le second cas, FGS20 fonctionnalisés par tetrazine possède une excellente conductivité, il a été en outre combiné avec un polypyrrole pour fabriquer un matériau de supercondensateur.Dans le chapitre 2, nous avons greffé de manière covalente des dérivés de tétrazine à l'oxyde de graphène par substitution nucléophile. Comme l'unité de tétrazine est électroactif et riche en azote, avec un potentiel de réduction sensible du type de substituant et degré de substitution, nous avons utilisé l'électrochimie et la spectroscopie de photoélectrons X pour démontrer des preuves claires pour le greffage par liaison covalente. La modification chimique a été soutenue par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et analyse thermique. Tétrazines greffé sur l'oxyde de graphène affichent différentes pertes de masse par rapport à graphène non modifiée et sont plus stables que les précurseurs moléculaires. Enfin, un dérivé de pontage tétrazine a été greffée entre des feuilles d'oxyde de graphène pour démontrer que la distance de séparation entre les feuilles peut être maintenue lors de la conception de nouveaux matériaux à base de graphène, y compris les structures d'oxydo-réduction chimiquement liés, les structures d'oxydoréduction.Dans le chapitre 3, des molécules modèles de graphène ont été sélectionnés afin de déterminer les conditions optimales de réaction entre graphène et tétrazine dérivés. Toutes les molécules de tétrazine ont d'abord été étudiés par électrochimie et ensuite mis à réagir avec le graphène par la demande électronique inverse Diels-Alder (DAinv) réaction dans un réacteur à micro-ondes, la XPS a été réalisée pour étudier sa composition chimique et de prouver la modification avec succès du graphène. Ensuite, le matériau de graphène tétrazine fonctionnalisé a été appliqué sur une électrode en acier inoxydable et ses performances électrochimiques ont été évaluées par voltamétrie cyclique et les tests de charge-décharge. La plupart des tétrazine modifié matériaux de graphène a montré de très bonnes performances électrochimiques et une faible résistance due à une bonne accessibilité des ions, ce qui en fait l'un des matériaux d'électrodes les plus prometteuses pour les supercondensateurs jusqu'à présent. Dans le chapitre 4, polypyrrole (PPy)-graphène nanocomposites ont été synthétisés par polymérisation de PPy sur les feuilles de graphène fonctionnalisés par tétrazine. Le matériau de graphène modifié contient des unités pyridazine tel que démontré par XPS. Puis PPy a été déposé sur ce matériau de graphène fonctionnalisé soit par polymérisation chimique ou électrochimique. Cellules de pièces symétriques ont été faites pour mesurer la capacité dans une configuration à deux électrodes. Les nanocomposites de polypyrrole-graphène avec 40% PPy présentent les meilleures performances électrochimiques et une faible résistance en raison d'une bonne accessibilité des ions, ce qui en fait l'un des meilleurs matériaux d'électrodes pour supercapacitor jusqu'à présent.