Abaissement de la température de synthèse de nanotubes de carbone alignés par CVD

par Fabien Nassoy

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Martine Mayne-l'hermite.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes , en partenariat avec NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux la Biomédecine et l'Énergie (laboratoire) , Laboratoire Edifices Nanométriques (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 02-02-2015 .


  • Résumé

    Les supercondensateurs, basés sur des cycles rapides de charge/décharge d'ions, sont une solution intéressante pour répondre à la problématique du stockage d'énergie. Les nanomatériaux carbonés, couplés ou non à des matériaux actifs, présentent des potentialités en tant qu'électrode comparativement au carbone activé couramment utilisé. Dans le cadre d'un laboratoire commun, le CEA, Nawatechnologies et les universités de Tours et Cergy, cherchent à développer des électrodes plus efficaces mettant en œuvre des tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés (VACNT) [1] sur collecteur d'aluminium. C'est dans ce contexte que se situe ma thèse CIFRE avec comme objectif le développement et la compréhension de la croissance de nanotubes alignés sur feuille d'aluminium par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapor Deposition (CVD)) assistée par aérosol. Au démarrage de ma thèse, cette technique était maîtrisée par le LEDNA (UMR-NIMBE), mais seulement pour des températures relativement élevées (>800°C) [2,3 et 4]. L'enjeu était donc d'étendre cette méthode pour répondre à l'utilisation de l'aluminium comme substrat, ce qui necessité un abaissement de la température de croissance des VACNT au-dessous du point de fusion de l'Al (660°C). Dans ce cas, les précurseurs catalytiques et carbonés utilisés à plus haute température ne se décompose pas efficacement, c'est pourquoi il a été nécessaire d'ajouter deux composés : l'hydrogène qui favorise la décomposition du précurseur catalytique [3] et l'acétylène dont la décomposition thermique et catalytique est plus favorable à basse température [5]. La thèse est structurée autour de trois axes : l'optimisation du procédé de synthèse, la compréhension des mécanismes de croissances et une étude visant à remplacer l'acétylène par des précurseurs biosourcés. [1] S. Lagoutte et al, Electrochemica Acta, 2014, 130, 754 [2] M. Pinault et al, Nano Lett., 2005, 5, 2394 [3] C. Castro et al, Carbon, 2013, 61, 585 [4] M. Delmas et al, Nanotechnology, 2012, 23 [5] M. R. Arcila-Velez et al, Nano Energy, 2014, 8, 9–16

  • Titre traduit

    Reduction of synthesis temperature of aligned carbon nanotube by CVD


  • Résumé

    Supercapacitors, with fast charge / discharge cycles, represent an interest for energy storage. Carbon nanomaterial have a great potential as electrode as compared to common activated carbon based electrodes. CEA, Nawatechnologies, university Tours and Cergy develop electrodes based on vertically aligned carbon nanotubes (VACNT) [1] on aluminium substrate in a joint laboratory. In this context, the aim of my thesis is to develop and understand the growth of VACNT on aluminum foil by aerosol assisted Chemical Vapor Deposition (CVD). At the beginning of my thesis, this technique was mastered by the LEDNA (UMR-NIMBE), but only for relatively high temperatures (>800°C)[2,3 and 4]. The challenge was therefore to extend this method to respond to the use of aluminium as a substrate, which necessitated a lowering of the growth temperature of VACNT below the melting point of Al (660°C). In this case, the catalytic and carbonaceous precursors used at higher temperatures do not decompose effectively, so it was necessary to add two compounds : hydrogen which increases decomposition of the catalyst precursor [3] and acetylene with a catalytic and thermal decomposition more favorable around 600° C [5]. Therefore, the approach in this work is first to identify the most relevant synthesis parameters to reach VACNT growth at such a low temperature by varying them and analyzing subsequently the products obtained. Moreover, attention is paid on study of Al surface before growth or during the initial steps of VACNT growth, and of CNT / Al interface to understand VACNT formation mechanisms at lower temperatures. [1] S. Lagoutte et al, Electrochemica Acta, 2014, 130, 754 [2] M. Pinault et al, Nano Lett., 2005, 5, 2394 [3] C. Castro et al, Carbon, 2013, 61, 585 [4] M. Delmas et al, Nanotechnology, 2012, 23 [5] M. R. Arcila-Velez et al, Nano Energy, 2014, 8, 9–16