Les polyHIPES comme couteau suisse : développement de matériaux fonctionnels et hautement poreux pour des applications axées vers l'énergie et les capteurs

PolyHIPES as a swiss-army-knife: development of functional and highly porous materials towards energy and sensing driven applications

• Auteur / Autrice : Cécile Jouanne
• Direction : Pierre-Henri Aubert
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie - Cergy
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2021
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec Université du Cap
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPPI - Laboratoire de physico-chimie des polymères et des interfaces

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux

Chimie

Energie

Materials

Chemistry

Energy

Résumé

La demande croissante d'énergie génère une pression considérable sur divers domaines de recherche pour qu'ils abordent de nouvelles technologies en vue d'une exploitation efficace des sources renouvelables. Dans ce contexte, la conversion et le stockage d'énergie ont été largement investigués impliquant le photovoltaïque, la (photo)séparation d'eau, les batteries, les supercapacités, etc. De manière complémentaire, les problèmes environnementaux et les services de santé font également partie des grands enjeux économiques et sociétaux. Dans ce contexte, nous sommes prêts à nous occuper du développement de nouveaux matériaux qui peuvent être doublement utilisés, éventuellement avec de légères modifications, en tant que matériau actif dans un supercondensateur et/ou un capteur (électrochimique/bio). Pour les deux domaines, les défis scientifiques impliquaient la chimie fondamentale ainsi que les propriétés des matériaux des électrodes ainsi que les phénomènes interfaciaux solide/électrolyte. Ensuite, il est important de développer de nouveaux matériaux fonctionnels et de nouvelles combinaisons chimiques pour améliorer les performances et/ou réduire le coût des dispositifs. Parmi divers matériaux, les polymères poreux synthétisés au sein d'émulsions à phase interne élevée (polyHIPE) apparaissent comme une approche intéressante pour la réalisation de réseaux polymères hautement poreux, qui pourraient être davantage convertis en mousse carbonisée autonome. Par conséquent, le polyHIPE présente des avantages considérables par rapport aux autres matériaux conventionnels en termes de synthèse, de surface spécifique (200 à 600 m2.g-1), de porosité (taille de pores de 1 à 300 m, pores d'interconnexion de 0,1 à 20 m) et de possibilité pour régler les propriétés physico-chimiques en changeant la nature du monomère. Par conséquent, les matériaux liés au polyHIPE ont ouvert la voie à la fabrication de types intéressants d'électrodes pour les supercondensateurs et les capteurs. Cependant, les performances de stockage de la mousse de carbone poreuse commune dérivée du polyHIPE sont relativement médiocres pour la commercialisation (< 100 F.g-1), à quelques rares exceptions (~1235 F g−1 à ~1 A g−1 ). Par conséquent, au stade actuel, polyHIPE reste encore un champ ouvert pour une optimisation et un développement ultérieurs. L'objectif de ce projet est de combiner le savoir-faire des deux équipes dans la synthèse des matériaux liés au PolyHIPE et la manipulation des supercondensateurs (LPPI - CY - Cergy Paris University) et la technologie de détection (SensorLab – University of the Western Cape). Dans le cadre de ce projet, nous développerons des matériaux fonctionnels avancés possédant des caractéristiques intéressantes pour traiter simultanément le stockage d'énergie et les applications pilotées par la détection. Ainsi, l'influence de paramètres importants, du choix des précurseurs, des méthodes de synthèse à l'élaboration de l'électrode, sur les performances des dispositifs finaux sera intensivement étudiée. En terme de caractérisation et d'optimisation, les deux laboratoires possèdent plusieurs techniques pour caractériser différents polyHIPE frameworks (microscopies SEM/TEM, Raman, FTIR, RMN liquide/solide, techniques thermomécaniques, électrochimie). Parallèlement à la caractérisation morphologique, les performances de cinétique de transfert de charge, de transport de masse, de stockage seront étudiées en évaluant différentes structures polyHIPE. L'interaction entre les réseaux polyHIPE et différentes espèces en solution, y compris chargées et neutres (cations, anions, molécules ciblées, etc.), sera également étudiée. Même si différents polyHIPE ont déjà été fabriqués, il n'existe pas à ce jour d'étude systématique sur l'influence de la nature du monomère, de la morphologie de la mousse sur la quantité de charges de maintien et l'interaction spécifique à l'interface électrode/solution. Cette étude permettra non seulement une meilleure compréhension des profils de transport de charges et de la diffusion au sein du film mais aussi une avancée importante pour optimiser le système.

Increasing demand of energy generates considerably pressure to various research fields for approaching to novel technologies towards efficient exploitation of renewable sources. Within this context, the energy conversion and storage have widely investigated involving photovoltaic, (photo) water splitting, batteries, supercapacitors, etc. Complementarily, environmental problems and healthcare services are also among grand economic and societal challenges. In this context, we are willing to deal with the development of new materials which can be dually used, eventually with mild modifications, as active material in supercapacitor and/or (electrochemical/bio) sensor. For both fields, the scientific challenges involved the fundamental chemistry as well as the properties of the electrode materials alongside with solid/electrolyte interfacial phenomena. Then, it is important to develop new functional materials and new chemical combinations to either enhance the performance and/or reduce the cost of the devices. Among various materials, Porous Polymers Synthetized within High Internal Phase Emulsions (polyHIPE) appears as interesting approach for achieving highly porous polymer networks, which could be further converted into freestanding carbonized foam. Consequently, there are considerable advantages of polyHIPE over other conventional materials in terms of synthesis, specific surface area (200 – 600 m2.g‑1), porosity (pore size of 1–300 μm interconnecting pores of 0.1–20 μm) and possibility to tune the physical – chemical properties by changing the nature of monomer. Consequently, the polyHIPE related materials have paved the way for fabrication of interesting type of electrodes for supercapacitor and sensor. However, the storage performance of common porous carbon foam derived from polyHIPE is relatively poor for commercialization (< 100 F.g-1), with some rare exceptions (~1235 F g−1 at ~1 A g−1 ). Consequently, at the current stage, polyHIPE still remains as an open field for further optimization and development.The aim of this project is to combine the knowhow of both team in synthesis of PolyHIPE related materials and handling of supercapacitors (LPPI – CY – Cergy Paris University) and Sensing technology (SensorLab – University of the Western Cape). Within this project, we will develop advanced functional materials possessing interesting characteristics to concomitantly deal with energy storage and sensing driven applications. Thus, the influence of important parameters, from the choice of precursors, synthesis methods to the elaboration of electrode, on the performance of the final devices will be intensively studied.In term of characterization and optimization, both laboratories possess several technics to characterize different polyHIPE's frameworks (SEM/TEM microscopies, Raman, FTIR, liquid/solid NMR, thermomechanical techniques, electrochemistry In parallel with morphological characterization, the charge transfer kinetic, mass transport, storage performances will be investigated by evaluating different polyHIPE structures. Furthermore, the specific interaction between polyHIPE related networks and different species in solution, including charged and neutral ones (cations, anions, targeted molecules, etc.) will also be explored. These parameters can be obtained by (Localized) Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Cyclic voltammetry. Even though different polyHIPE have already been fabricated, there is no systematic study up-to-date on the influence of the nature of monomer, the morphology of the foam upon the quantity of hold charges and the specific interaction at the interface electrode/solution. This study will allow not only a better understanding on the charge transport profiles and the diffusion within the film but also important step forward to optimize the system.