Etude des propriétés électrochimiques des hydroxydes doubles lamellaires (HDLs) : analyses avancées operando des mécanismes de transferts ioniques

Investigation of the electrochemical properties of layered double hydroxides : operando advanced analysis of ionic transfer mechanisms

• Auteur / Autrice : Elise Duquesne
• Direction : Catherine Debiemme-Chouvy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electrochimie
• Date : Soutenance le 30/09/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interfaces et systèmes électrochimiques (Paris ; 1967-....) - France. Bureau de recherches géologiques et minières (1959-....)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Perrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Bételu, Emmanuel Tertre, Ozlem Sel, Alain Seron, Michel Goldmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Peulon, Cédric Carteret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Spectroscopie d'impédance

Détecteurs électrochimiques

Liquides ioniques

Gravimétrie (chimie analytique)

Propriétés physico-chimiques

Hydroxydes doubles lamellaires

Mots clés libres

Hydroxydes doubles lamellaires (HDLs)

Electrogravimétrie

Transfert cationique

GIWAXS

Transfert anionique

Déshydratation

Layered double hydroxides (LDHs)

Electrogravimetry

Ac-electrogravimetry

Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS)

Cationic transfer

Anionic transfer

Dehydration

Résumé

Au cours des dernières décennies, les hydroxydes doubles lamellaires (HDLs) ont suscité un intérêt croissant pour leurs capacités de piégeage, confinement et libération contrôlée d’ions, avec le potentiel de générer des applications prometteuses telles que le stockage d'énergie, la délivrance de médicaments et le traitement de l'eau, de manière durable. Cette thèse vise à contrôler de manière réversible les transferts ion/solvant par électrochimie et à approfondir la compréhension des mécanismes et de la cinétique liés à ces transferts. Ceci a été réalisé au moyen de techniques conventionnelles associant des mesures électrochimiques et gravimétriques, ainsi que d’une technique non conventionnelle, en particulier la spectroscopie d’impédance électrochimique couplée à la microbalance à cristal de quartz rapide, également appelée ac-électrogravimétrie. De nombreuses informations ont pu être obtenues : identification et cinétique des différentes contributions liées aux espèces chargées et non chargées impliquées dans les processus électrochimiques (anions, cations et solvants) et variation des concentrations relatives des espèces dans le HDL. Pour la première fois, le développement et le couplage operando de la diffractions des rayons X aux mesures électrogravimétriques sous potentiel cyclique au synchrotron (Saclay, France) ont démontré que la réaction non réversible d’oxydation de l’eau par électrochimie (i) intervient dans l’espace interfoliaire et (ii) a un impact sur le phénomène d’électrosorption/désorption cationique sur la surface externe du HDL.

In the past decades, layered double hydroxides (LDHs) attracted increasing interest for their abilities of ion entrapment, containment and controlled release, with the potential to generate promising applications like energy storage, drug delivery and water treatment, in a sustainable way. This Ph.D. thesis aims at controlling in a reversible manner ion/solvent transfers by electrochemistry and at deepening the understanding of the mechanisms and kinetics related to these transfers. This was realized by means of conventional techniques coupling electrochemical and gravimetric measurements as well as a non-conventional technique, specifically the electrochemical impedance spectroscopy coupled to fast quartz crystal microbalance, also called ac-electrogravimetry. Many information could be obtained: identification and kinetics of the different contributions related to the charged and non-charged species involved in the electrochemical processes (anions, cations and solvent) and variation of the relative concentrations of the species inside the LDH. For the first time, developing and coupling operando XRD to gravimetric and current measurements under cycling potential at synchrotron (Saclay, France) underlined non reversible catalyzed oxygen evolution reaction that (i) plays a role inside the interlayered spacing and (ii) has an impact on the cation electrosorption/desorption phenomenon onto the external surface.