A new approach towards understanding the ion transfer dynamics in nanostructured carbon-based thin films for energy storage applications

par Freddy David Escobar Teran

Thèse de doctorat en Chimie physique et chimie analytique

Sous la direction de Hubert Perrot et de Ozlem Sel.

Soutenue le 30-09-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Interfaces et Systèmes Electrochimiques / LISE (laboratoire) .

Le jury était composé de Christel Laberty, Stéphanie Betelu.

Les rapporteurs étaient Michael Holzinger, Francisco Vicente.

  • Titre traduit

    Une nouvelle approche pour la compréhension de la dynamique de transfert des ions dans des films minces de carbone nanostructurés pour des applications dans le stockage de l'énergie


  • Résumé

    Des films à base de nanotubes de carbone et d'oxyde de graphène reduit ont été préparés sur des électrodes d'or de microbalances et testées dans différents électrolytes tels que LiCl, NaCl et KCI. Le stockage de charge au sein de ces films a été étudié par ac-électrogravimétrie, couplage entre une microbalance à quartz rapide (QCM) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). La nature chimique et le rôle de chaque espèce, anion, cation, cation solvaté, solvant libre, impliquée dans le mécanisme de stockage de charge, ont été clairement identifiés au cours de la polarisation cathodique et anodique par ces mesures d'ac-électrogravimétrie pour la première fois. Les résultats d'ac-électrogravimétrie confirment que les cations sont en majorité électroadsorbés lorsque la surface est chargée négativement, tandis que les anions sont électroadsorbés lorsque la surface est chargée positivement. Des films nanocomposites, SWCNT/Bleu de Prusse et de SWCNT/Polypyrrole ont aussi été électrochimiquement examinés. La nature chimique et le rôle de chaque espèce impliqués dans les processus faradiques et capacitifs ont été mis en évidence par ac-électrogravimétrie. La méthodologie adaptée pour caractériser des électrodes à base de carbone peut être proposé comme un outil de diagnostic de référence pour étudier la relation pore/taille des ions, la concentration et les effets de solvant, la dynamique des interactions des ions au niveau des interfaces (électroadsorption et/ou processus faradique). Cela peut permettre d'obtenir des matériaux d'électrode ouvrent la voie vers des systèmes électrode/électrolyte plus performants dans les dispositifs de stockage d'énergie.


  • Résumé

    Carbon nanotubes (CNTs) and Electrochemically Reduced Graphene Oxide films were prepared on gold electrodes of microbalance and tested in different electrolytes such as LiCl, NaCl and KCl. The capacitive charge storage of carbon-based film electrodes were investigated by ac-electrogravimetry which couples fast quartz crystal microbalance (QCM) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The chemical nature and the role of each species, anion, cation, solvated cation, free solvent, involved in the charge storage mechanism, have been clearly identified during the cathodic and anodic polarization through ac-electrogravimetry measurements for the very first time. The ac-electrogravimetric results confirm that the cations are predominantly electroadsorbed when the surface is negatively charged while the anions are electroadsorbed when the surface is positively charged. Nanocomposite films, namely SWCNT/Prussian Blue and SWCNT/Polypyrrole were electrochemically examined. The main idea was to emphasize the capacitive and faradic behavior of these different films by combining two materials. The chemical nature and the role of each species involved in the pseudo-capacitive and capacitive processes were highlighted by the ac-electrogravimetry. The methodology adapted to characterize carbon based electrodes can be suggested as a baseline diagnostic tool to study the pore/ion size relationship, the concentration and the solvent effects, the dynamics of the ions interactions at the interfaces (electroadsorption and/or faradaic process) of the electrode materials which may pave the way towards more performant electrode/electrolyte systems in energy storage devices.


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