Études électrogravimétriques et électrochimiques de nouveaux matériaux nanostructurés à base de nanomatériaux de carbone, de polymères conducteurs et de nanoparticules métalliques : application au stockage et à la conversion d'énergie

Electrogravimetric and electrochemical studies on new nanostructured materials based on carbon nanomaterials, conducting polymers and metal nanoparticles : application for energy storage and conversion

• Auteur / Autrice : El Mahdi Halim
• Direction : Hubert Perrot, Mama El Rhazi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique et chimie analytique
• Date : Soutenance le 30/11/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Université Hassan II (Casablanca, Maroc)
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Saad Alami Younssi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ozlem Sel, Anne-Laure Rollet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Ouammou, Pierre-Louis Taberna, Aicha Guessous

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gravimétrie (chimie analytique)

Électrochimie

Conducteurs organiques

Piles à combustible

Supercondensateurs

Mots clés libres

Supercondensateurs

Pile à combustible

Nanocomposite

Méthodes électrogravimétriques

Nanomatériaux de carbone

Polymères conducteurs

Supercapacitors

Fuel cell

Nanocomposite

Résumé

Dans le cadre de cette thèse, des nanocomposites binaire à base de carbone (NTC) et polymère conducteur (PoPD) et ternaire à base de carbone (NFC), de polymère conducteur (PpPD) et de particules (NiPs) ont été élaborés. Après l’élaboration des conditions optimales de synthèse, les caractéristiques morphologique et structurale des films obtenus ont été examinées en utilisant les méthodes microscopiques et spectroscopiques tels que le MEB, le MET, l’EDX, la DRX, l’XPS, le Raman et la FTIR. Dans un premier temps, les performances des films élaborés (de PoPD et de NTC/PoPD) ont été étudiées pour le stockage d’énergie. Deux configurations ont été examinées, la première à trois électrodes qui consiste à étudier principalement les mécanismes de transferts des ions dans un électrolyte aqueux, et la deuxième configuration à deux électrodes consiste à étudier les performances capacitives de ces films. Afin de bien comprendre les mécanismes de stockage d’énergie dans ces matériaux, une étude électrogravimétrique a été effectuée en utilisant des méthodes électrogravimétriques. Notamment la méthode d’ac-électrogravimétrie, qui est une technique analogue à l’impédance électrochimique et qui permet d’identifier les espèces impliquées lors du processus d’échange au sein de l’électrode. Dans un deuxième temps, nous avons élaboré un nanocomposite ternaire à base de NFC, de PpPD et de NiPs pour l’oxydation du méthanol. L’optimisation des conditions expérimentales a été prise en compte et plusieurs paramètres ont été étudiés et optimisés tels que l’épaisseur du film de PpPD, le taux de particules de Nickel, la concentration du méthanol, etc.

The objective of this Ph.D. thesis is to study new binary and ternary nanocomposites based on carbon nanomaterials, conducting polymer and metal particles for energy storage and conversion. The morphology and the composition of different nanocomposites are characterized by various spectroscopic and microscopic techniques. Thereafter, the nanocomposites are used as electrode materials for supercapacitors and direct methanol fuel cells. For the supercapacitors aspect, electrodes based on PoPD and on SWCNT/PoPD were synthesized on gold-patterned Quartz Crystal Microbalance and graphite plates. Their redox transformations and the ionic flux mechanisms were investigated in aqueous NaCl electrolyte via EQCM and ac-electrogravimetry. In order to correlate between the fundamental understandings and the performance of the electrode, the capacitive performance of PoPD and SWCNT/PopD films are tested in both 3-electrode cell a 2-electrode Swagelok cell. By determining the interfacial flux dynamics and as well as the relative proportions of species transferred at the electrode/electrolyte interface, our results contribute to the understanding of the charge-discharge process of PoPD polymer and SWCNT/PoPD nanocomposite, which have the desirable attributes for energy storage applications. For the direct methanol fuel cell aspect, a nanocomposites based on CNFs, PpPD and Ni Particles or Cu dendrites was prepared on Carbon Paste Electrode using a simple and rapid method. The effects of various parameters on the catalytic performance are studied in order to obtain an optimized composition of the nanocomposites. Then, their electrocatalytic effect for the methanol oxidation reaction (MOR) was studied in alkaline solution. The nanocomposites exhibit a good stability and a high catalytic effect towards MOR.