Synthèse et Caractérisation des Nanocomposites à Base de Graphène et Oxyde de Manganèse pour Application en Supercondensateur

Abstract

L’objectif de cette thèse est le développement d’une nouvelle classe de matériaux nanocomposites à base de graphène et 〖Mn〗_3 O_4. Ces matériaux ont été préparés avec succès par une méthode de dépôt chimique simple, efficace et évolutive. Ils sont appliqués comme des électrodes sans liants hautement performantes pour les futures générations des supercondensateurs. Les caractérisations physico-chimiques telles que MEB, DRX, IRTF, Raman et électrochimiques tel que le Voltammétrie cyclique (CV), charge-décharge à courant constant (CDG) et spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE) ont été menées afin d’évaluer leurs performances et d’élucider la relation entre leurs structures-propriétés et leurs performances électrochimiques. Le graphène (G) a haute qualité (3 ou 4 couches) a été synthétisé par approche simple, rapide et peu couteuse basée sur l’exfoliation électrochimique de tiges de graphite et déposée sur la microfibre de carbone (MFC) en utilisant une chute progressive de la température jusqu'à 150 ° C pour former une électrode MFC – G. Les caractérisations électrochimiques de composite MFC-G réalisées dans un milieu ferrocyanure de potassium montre que le transfert des électrons de substrat MFC s’améliore par le dépôt de graphène. Ainsi,la surface électroactive de MFC-G est plus grande que le MFC et l’introduction du graphène fournit des ponts conducteurs pour le transfert électronique. Dans le milieu aqueux le MFC-G produit plusieurs effets bénéfiques tel que : (i) La réponse en CV de l’électrode MFC–G est 22 fois supérieures à celle de l’électrode MFC nu d’une zone géométrique équivalente à la même vitesse de balayage (ii) La surface d’accessibilité des ions électrolytes de l’électrode MFC–G est plus grande que celle de l’électrode MFC, attribuée à la très grande surface spécifique de graphène (iii) Une excellente stabilité durant les 1000 cycles appliqués, tel que leurs performances initiales ne dégradent pas. Ensuite, nous avons développé un nouveau concept basé sur le dépôt rédox direct de 〖Mn〗_3 O_4sur substrat de MFC – G par simple méthode du drop casting à une température de 150 ° C pour former du MFC–G–〖Mn〗_3 O_4. Afin de comparer ces performances, le 〖Mn〗_3 O_4 a été déposé directement sur le MFC pour former une électrode MFC –〖Mn〗_3 O_4 dans des conditions similaires. Les résultats de différentes techniques de caractérisation indiquent que le graphène et le 〖Mn〗_3 O_4ont été synthétisés avec succès et déposés sur des substrats avec une grande pureté de la phase de l'échantillon de 〖Mn〗_3 O_4 synthétisé. Les diffractogrammes obtenus de MFC-〖Mn〗_3 O_4etMFC-G-〖Mn〗_3 O_4 indiquent que La taille moyenne des cristallites (D_hkl) de la particule 〖Mn〗_3 O_4 est estimée à 49nm pour l'échantillon MFC-G-〖Mn〗_3 O_4 et de 115nm pour l'électrode MFC-〖Mn〗_3 O_4 , ce qui montre que la particule de 〖Mn〗_3 O_4pour le MFC-〖Mn〗_3 O_4 est plus cristallites que le MFC-G-〖Mn〗_3 O_4. d’autre part, les caractérisations électrochimiques ont montré les excellentes performances du nouveau nanocomposite MFC-G-〖Mn〗_3 O_4 où sa capacité spécifique atteint , elle est cinq fois supérieure à la capacité obtenue de l'électrode MFC- 〖Mn〗_3 O_4 qui est de . Il faut noter que cette valeur est très élevé comparé à celle des autres matériaux à base de graphène et 〖Mn〗_3 O_4 reportés dans la littérature. De plus, l'introduction de graphène dans la matrice de 〖Mn〗_3 O_4 permet une amélioration de la résistance de contact entre le matériau actif et le collecteur de courant, la conductivité électronique de l'électrode, la stabilité électrochimique durant le cyclage répétitif de charge -décharge et la capacité de rétention ou la capacité à haute vitesse de balayage. La combinaison du graphène et de 〖Mn〗_3 O_4 en utilisant le dépôt direct a entraîné un effet synergique efficace entre les deux matériaux. Les techniques de synthèse faciles et les bonnes performances capacitives indiquent que l'électrode nanocomposite développée serait prometteuse comme un matériau d'électrode pour les supercondensateurs à haute performance. La combinaison des deux matériaux (graphène et〖Mn〗_3 O_4) a été proposé pour élaborer le matériau MFC-G- 〖Mn〗_3 O_4 afin d’associer les avantages de l’un et l’autre et développer une électrode sans liant avec une conductivité électronique élevée et une grande capacité utilisé pour les supercondensateurs. Le nouveau matériau élaboré (MFC-G-〖Mn〗_3 O_4) qui possède la meilleure performance a été étudié et testé en dispositif dans des prototypes symétriques à deux électrodesen milieux aqueux 〖Na〗_2 SO_4, afin d’évaluer le potentiel de cette électrode dans le domaine du stockage d’énergie et d’exploiter réellement les propriétés des matériaux d’électrode, tant qu’il est bon. Les caractérisations électrochimiques effectuées permettent d’envisager un dispositif symétriqueCaractérisé par : (i) Un comportement capacitif idéal et réversible (ii) Une capacitance très élevée et plus stable (iii) Une densité d'énergie de �������� /���� et une densité de puissance de ��,������/����qui sont situés dans la plage des supercondensateurs entre les capacités et les batteries.