Élaboration et caractérisation de composés poreux pour le stockage d'énergie et la conversion

Elaboration and characterization of highly porous materials for energy storage and conversion

• Auteur / Autrice : Hugo Lavilluniere
• Direction : Pierre-Henri Aubert, Thuan Nguyen Pham Truong, Cédric Vancaeyzeele
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Cergy
• Date : Soutenance le 18/01/2024
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physico-chimie des polymères et des interfaces (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Serre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Henri Aubert, Thuan Nguyen Pham Truong, Cédric Vancaeyzeele, François Tran-Van, Pierre Audebert, Laure Biniek
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Tran-Van, Pierre Audebert

Mots clés

Mots clés libres

Composés poreux

Stockage d'energie

Conversion

Highly porous marerials

Energy storage

Conversion

Résumé

Ces travaux de thèse visaient à développer des réseaux organiques covalents (COFs) pour les utiliser dans le cadre du stockage de l’énergie comme matériaux d’électrode de supercondensateurs. Ils présentent des porosités et des surfaces spécifiques remarquable les rendant pertinents pour un tel emploi. L’étude s’est d’abord concentrée sur la synthèse d’un COF à base d’ester boronique, dénommé COF5, en se focalisant sur l’optimisation d’une nouvelle voie de synthèse assistée par micro-onde permettant d’en exalter ses performances en termes de stockage. La surface spécifique du COF obtenue est doublée par rapport à celui obtenu par voie solvothermale et sa structuration sous forme cristalline en dope la conductivité électronique. Incorporé comme matériau d’électrode, il a démontré une très grande stabilité au cyclage. La seconde partie de ces travaux s’est focalisée sur le développement de composites coeur-couronne de COF-5 associé à des nanotubes de carbones comme additif capacitif et conducteur électronique, par l’incorporation de cet additif lors de la synthèse du COF. Si la conductivité de ce composite est multipliée par 1000 par rapport à celle du COF5, sa capacitance spécifique est quadruplée après une période d’activation et démontre également une très forte stabilité au cyclage. Enfin, le COF5 a été associés à un polymère conducteur électronique, la polyaniline. Le plus performant de ce type de composite a été réalisé par adsorption du monomère suivi de son électropolymérisation dans la porosité du COF. La capacité spécifique est doublée pour atteindre 672 F.g-1 à 2 mV.s-1 avec une très grande stabilité sans aucun signe de dégradation après 10 000 cycles CV à 100 mV.s-1. Ces travaux démontrent le gros potentiel de l’incorporation de polymère conducteur à l’intérieur des pores du réseau organique covalente pour en améliorer les performances électrochimiques.Mots clefs : Réseaux organiques covalents, Synthèse solvothermale, Synthèse micro-ondes, Surface spécifique, Porosité, Electrochimie, Supercondensateurs, Pseudocondensateurs, EDLCs, Nanotubes de carbones, Polyaniline.

ABSTRACTThis thesis aims to develop covalent organic networks (COFs) for use in the context of energystorage as electrode materials for supercapacitors. They have remarkable porosity and specificsurfaces, making them suitable for such use. The study first focuse d on the synthesis of a COFbased on a boronic ester, called COF5, focusing on the optimization of a new microwaveassisted synthesis route that enhances its performance in terms of storage. The specific surfacearea of the COF obtained was doubled compare d to that obtained by the solvothermal method,and its crystalline structure boosted the electronic conductivity. Incorporated as an electrodematerial, it demonstrated very high cycling stability. The second part of this work focused onthe development of core crown composites of COF5 associated with carbon nanotubes as acapacitive additive and electronic conductor by incorporating this additive during the synthesisof COF. If the conductivity of this composite is multiplied by 1000 compared to that of CO F5,its specific capacitance quadruples after an activation period and demonstrates very strongcycling stability. Finally, COF5 was associated with the electronically conductive polymer,polyaniline. The most efficient type of composite was produced by ad sorption of the monomerfollowed by electropolymerization in the porosity of the COF. The specific capacitance doubledto reach 672 F.g 1 at 2 mV.s 1 with very high stability without any sign of degradation after10,000 CV cycles at 100 mV.s 1. This work d emonstrates the great potential of incorporatingconductive polymer inside the pores of a covalent organic network to improve itselectrochemical performance.Keywords:Covalent organic framework , S olvothermal synthesis, M icrowave assisted method ,Specific surface area, P orosity, E lectrochemistry, S upercapacitor, P seudocapacitor, EDLCs,Carbon nanotubes , Polyaniline