Fabrication et dynamique de transfert d'ions de films composites à base de nanotubes de carbone pour l'application de supercondensateurs

Fabrication and ion transfer dynamics of carbon nanotube-based composite films for supercapacitor application

• Auteur / Autrice : Juan Su
• Direction : Hubert Perrot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Analytique
• Date : Inscription en doctorat le 17/03/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interfaces et Systèmes Electrochimiques
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Microsystèmes et électrochimie multiéchelle pour la caractérisation des matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Électrochimie

Microsystèmes

Caractérisation

Electrochemistry

Microsystems

Characterization

Résumé

Pour remplacer le liant isolant poly(fluorure de vinylidène-co-hexafluoropropylène) PVDF-HFP utilisé dans les électrodes, il est judicieux de concevoir des électrodes composites en combinant des nanotubes de carbone multiparois (MWCNT) avec du poly(3,4-éthylène-dioxythiophène) (PEDOT). Pour synthétiser ce composite binaire, les MWCNT sont fonctionnalisés par greffage d'aryl-EDOT sur leur surface avec un sel de diazonium. Ensuite, les MWCNT fonctionnalisés sont co-déposés avec le monomère EDOT à l'aide d'une méthode électrochimique. De cette manière, les MWCNT fonctionnalisés seront connectés et enveloppés par le PEDOT. En ce qui concerne la caractérisation, SEM, TEM, spectre FT-IR et spectre XPS seront utilisés pour caractériser la morphologie de la surface, la microstructure, la liaison chimique et la cristallinité de l'échantillon. La voltampérométrie cyclique (CV), la charge/décharge galvanostatique (GCD) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) seront utilisées pour tester la performance électrochimique. Les techniques de microbalance électrochimique à cristal de quartz (EQCM) et d'électro-gravimétrie en courant alternatif (AC-EG) seront exploitées pour évaluer les échanges d'ions et de solvants dans différents électrolytes aqueux. Cette méthode non classique développée au laboratoire LISE sera largement utilisée afin d'obtenir i) les différentes contributions ioniques et solvants, ii) le taux cinétique de transfert à l'interface électrolyte/film, iii) la facilité de transfert liée à chaque espèce et iv) la concentration relative de chaque espèce en fonction des états de polarisation. Parallèlement, la méthode QCM-D sera réalisée pour valider le régime gravimétrique du QCM utilisé précédemment et pour caractériser la stabilité mécanique des différents films au cours des différents processus cycliques.

To replace the insulating binder poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) used in electrode, it is a smart way to design composite electrodes by combining multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). To synthesize this binary composite, MWCNTs are functionalized by aryl-EDOT grafting on its surface with diazonium salt. Then the functionalized MWCNTs are co-deposited with EDOT monomer using electrochemical method. In this way, functionalized MWCNTs will be connected and wrapped by PEDOT. As for the characterization, SEM, TEM, FT-IR spectrum and XPS spectrum will be used to characterize the surface morphology, microstructure, chemical bond and crystallinity of sample. cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge/discharge (GCD) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) will be used to test the electrochemical performance. electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) and ac-electrogravimetric (AC-EG) techniques will be exploited to evaluate ion and solvent exchanges in different aqueous electrolytes. This non classical method developed at the LISE lab will be largely used in order to get i) the various ionic and solvent contributions, ii) the kinetic rate of transfer at the electrolyte/film interface, iii) the ease of transfer related to each species and iv) the relative concentration of each species according to the polarisation states. At the same time, QCM-D method will be performed to validate the gravimetric regime of the QCM used previously and to characterize the mechanical stability of the different films during the different cyclic processes.