Étude de l'interface oxyde de graphène / 1-eicosyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide par la procédure des films de Langmuir : influence de l'ajout d'or dans la sous-phase

Study of graphene oxide / 1-eicosyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide interface using the Langmuir film procedure : influence of adding gold in the sub-phase

• Auteur / Autrice : Guillaume Diot
• Direction : Michel Goldmann, François Muller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Cohen-Addad
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hynd Remita
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samy Remita, Frédéric Restagno

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liquides ioniques

Surfaces (technologie)

Nanoparticules d'or

Oxyde de graphène

Langmuir-Blodgett, Couches de

Mots clés libres

Oxyde de graphène

Liquide ionique

Film de Langmuir

Radiolyse de surface

Nanoparticules d'or

Graphene Oxyde

Ionic liquid

Langmuir film

Surface radiolysis

Gold nanoparticles

Résumé

Les supercondensateurs à base de liquide ionique (LI) comme électrolyte et de graphène comme électrode sont des dispositifs prometteurs. Ils possèdent une grande densité de puissance mais souffrent d’une faible densité de stockage de l’énergie comparé au batterie actuelles. L’ajout de nanoparticules d’or entre les feuillets de graphène et le LI semble prometteur pour améliorer ces propriétés. Nous utilisons la méthode des films de Langmuir, une procédure permettant d’élaborer et d’étudier des monocouches et des interfaces sur une surface d’eau sous diverses conditions physico-chimiques, pour étudier l’interface oxyde de graphène (GO)/LI. Nous utilisons le liquide ionique [C20mim]+[NTf2]- et l’oxyde de graphène (capables de former un film stable à la surface de l’eau). Nous utilisons l’irradiation de la surface par des rayons X couplée à l’ajout de sel d’or HAuCl4·3H2O dans la sous phase pour former par radiolyse des nanoparticules d’or (AuNPs) sous le film organique. L’objectif de cette thèse est d’étudier la formation de l’interface entre l’OG et le liquide ionique sans et en présence de AuNPs aux interfaces. Pour ce faire, nous utilisons un solvant commun aux deux espèces : le NMP. Ensuite, déposant le film sur une sous-phase formée par une solution d’or, nous utilisons la radiolyse de surface par rayons X pour produire des nanoparticules d’or en contact avec ce film. Nous avons donc tout d’abord étudié l’influence du solvant NMP sur les films purs de liquide ionique et d’oxyde de graphène. La présence de NMP résiduel dans la couche de liquide ionique influence les structures formées. Le NMP est un solvant capable de former une couche stable d’oxyde de graphène à l’interface air/eau. Ainsi, le NMP est à prendre en compte dans l’organisation des interfaces pour le mélange mixte. Nous avons ensuite étudié les films mixtes de LI et GO. Nous avons montré que l’organisation du LI dépendait de la nature des deux interfaces qui entourent sa monocouche. A basse pression de surface, les feuillets de GO recouvrent partiellement la monocouche de LI adsorbée à la surface de l’eau. La monocouche de LI est dans une phase désordonnée qu’elle soit ou non recouverte par ces feuillets. A haute pression, une partie du liquide ionique migre au-dessus des feuillets de GO. On voit apparaitre une coexistence entre deux structures formées par le LI, une structure monocouche hexagonal 2D et une structure multicouche organisée en un réseau monoclinique. Nous avons ensuite utilisé la radiolyse de surface pour former des AuNPs en contact avec le film organique. La sous-phase utilisée est alors une solution d’ions d’or. Nous montrons qu’il existe deux régimes en fonction de la quantité d’or en sous-phase. Pour une quantité d’ions d’or inférieure à 500 fois celle de molécules de LI déposées en surface, nous observons la formation de AuNPs. Pour une quantité d’or supérieure ou égale à 500 fois la quantité de molécules de liquide ionique, la formation de AuNPs n’a lieu qu’à des pressions de surface inférieures à celle du collapse du film . Au-dessus de cette pression de surface, on n’observe plus la formation des AuNPs mais l’apparition d’une structure triclinique. Celle-ci résulte de la substitution de l’anion du liquide ionique par l’ion d’or. Enfin nous avons étudié les effets de l’irradiation sur un film mixte de GO-LI déposé sur une solution d’or. Le film adopte alors une combinaison des comportements observés sur les films mixtes LI-GO déposés sur eau et des films purs de LI et d’OG sur solution d’or. A basse pression, on retrouve le comportement structural observé sur eau pure mais la présence de NMP résiduel induit la formation de AuNPs. A haute pression, les molécules de LI ne recouvrent plus les feuillets de GO. On observe l’apparition de la structure triclinique ainsi que de AuNPs toujours attribuées à la présence du NMP résiduel.

Supercapacitors based on ionic liquid (IL) as electrolyte and graphene as electrode are promising devices. They have a large number of charge-discharge cycles much faster than the current batteries but suffer from low energy storage density. The addition of gold nanoparticles between graphene sheets and IL appears promising to improve their performances. We use the Langmuir film method, a procedure for studying layers and interfaces on a water surface under various physico-chemical conditions, to study the graphene oxide (GO)/IL interface. We use the ionic liquid [C20mim]+[NTf2]- and graphene oxide (capable of forming a stable film on the surface of the water). We use irradiation of the surface by X-rays coupled with the addition of HAuCl4 3H2O gold salt in the sub-phase to form by radiolysis gold nanoparticles under the organic film. The objective of this thesis is to study the formation of the interface between graphene oxide and ionic liquid without and in the presence of gold nanoparticles at the interfaces. In this goal, we use a solvent common to both species: NMP. Then, depositing the film on a sub-phase formed by a solution of gold, we use surface radiolysis by X-rays to form gold nanoparticles in contact with this film. We therefore first studied the influence of the solvent NMP on pure films of ionic liquid and graphene oxide. We have demonstrated the presence of residual NMP in the IL film that influences the formed structures. NMP was shown to be a solvent capable of forming a stable film of graphene oxide at the air/water interface. Thus, the NMP will be considered in the organization of the interfaces for the mixed film. We then studied the mixed films of IL and GO. We showed that the organization of the IL depended on the nature of the two interfaces surrounding its monolayer. At low surface pressure, the GO sheets partially cover the IL monolayer adsorbed to the water surface. IL monolayer is in a disorderly phase whether or not it is covered by GO sheets. At high pressure, part of the IL migrates above the GO sheets. We see a coexistence between two structures formed by the IL, a hexagonal 2D monolayer structure and a multilayer structure organized in a monoclinic network. We then used surface radiolysis to form gold nanoparticles in contact with the organic film. The sub-phase used is then a solution of gold ions. We show that there are two regimes depending on the quantity of gold in the sub-phase. For a quantity of gold ions less than 500 times that of IL molecules deposited on the surface, we observe the formation of gold nanoparticles. For a quantity of gold greater than or equal to 500 times the quantity of molecules of IL, the formation of gold nanoparticles takes place only at surface pressures lower than that of the collapse of the film. Above this surface pressure, we no longer observe the formation of gold nanoparticles but the appearance of a triclinic structure. This results from the substitution of the anion of the IL by the gold ion. Finally, we studied the effects of irradiation on a mixed GO-IL film deposited on a gold solution. The film adopts a combination of the behaviors observed on mixed IL-GO films deposited on water and pure IL and OG films on gold solution. At low pressure, we find the structural behaviour observed on pure water but the presence of residual NMP induces the formation of gold nanoparticles. At high pressure, IL molecules no longer cover GO sheets. We observe the appearance of the triclinic structure as well as gold nanoparticles always attributed to the presence of residual NMP.