Graphène et fluorographène par exfoliation de graphite fluoré : applications électrochimiques et propriétés de surface

Graphene and fluorographene by exfoliation of graphite fluorides : electrochemichal applications and surface properties

• Auteur / Autrice : Michael Herraiz
• Direction : Marc Dubois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 06/11/2018
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Mousty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Campidelli, Nicolas Batisse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Hérold, Christine Vautrin-Ul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Graphène

Mots clés libres

Graphite

Graphite fluoré

Fluoration

IR

Raman

MEB

Exfoliation thermique

Exfoliation électrochimique

Interaction laser femtoseconde

Graphène fluoré

Graphite

Graphite fluorides

Fluorination

FTIR

Raman

SEM

Thermal shock

Electrochemical exfoliation

Femtosecond laser interaction

Few layered fluorinated graphene

Résumé

Sa conductivité électronique ou encore sa transparence optique sont autant de propriétés physico-chimiques singulières du graphène qui expliquent le nombre accru de méthodes d’exfoliation de précurseurs graphitiques développées pour l’obtention de ce matériau. Pour palier à l’utilisation d’un oxyde de graphite/graphène caractérisé par une chimie de surface mal maitrisée, des graphites fluorés, de cristallinité mais aussi de concentration en fluor variables, ont été préparés par fluoration de graphite sous fluor moléculaire pur après optimisation des paramètres. Les précurseurs, que ce soit par fluoration dynamique ou statique, ainsi obtenus ont été caractérisés finement : diffraction des rayons X, spectroscopies IR et Raman et leur texture sondée par Microscopie Electronique à Balayage et à Transmission. Suite à cela, trois méthodes d’exfoliation ont été mises en place, basées sur des mécanismes différents : i) une exfoliation par choc thermique, déjà connue mais dont les mécanismes de décomposition ont été affinés dans cette étude, ii) une exfoliation en voie liquide, avec l’utilisation pour la première fois d’un graphite fluoré pour la synthèse de graphène fluoré multi feuillets par voie électrochimique pulsée, et enfin iii) une méthode originale, peu conventionnelle, basée sur l’interaction laser femtoseconde/graphite hautement fluoré pour induire des mécanismes de réduction contrôlée, et surtout d’exfoliation de la matrice. Ces méthodes ont permis de mettre en évidence l’intérêt de la présence de fluor dans la course actuelle pour la synthèse de graphène, et ont montré l’obtention de matériaux graphéniques,possédant une fonction résiduelle fluorée intéressante pour certaines applications.

Its electronic conductivity or its optical transparency are unequaled physicochemicalproperties of graphene which explain the increased number of exfoliation methods based ongraphitic precursors to obtain this material. To overcome the use of a graphite/graphene oxidecharacterized by a poorly controlled surface chemistry, graphite fluorides, with variablecrystallinity and also fluorine concentration, were prepared by fluorination of graphite under puremolecular fluorine atmosphere after optimization of the process parameters. The obtainedprecursors, whether by dynamic or static fluorination, were characterized : X-Ray diffraction, FTIRand Raman spectroscopies for the structure, and their texture probed by Scanning andTransmission Electron Microscopy. After that, three methods of exfoliation were developed, basedon different mechanisms: i) a thermal shock, already known but decomposition mechanisms wererefined in this study, ii) an exfoliation within liquid medium by pulsed electrochemical treatment,using for the first time a fluorinated graphite for the synthesis of few-layered fluorinated grapheneand finally iii) an unconventional method, based on the interaction between femtosecond laser andhighly fluorinated graphite to induce mechanisms like controlled reduction, and especially for thisstudy exfoliation of the matrix. These methods have permit to highlight the interest of fluorine inthe current race for the synthesis of graphene, and have shown the production of graphenematerials, having an interesting fluorinated residual functionalization for some applications.