Films de silice mésoporeux nanostructurés redox actifs basés sur un mécanisme de saut d'électrons : comportements de transfert de charge et perspectives de stockage d'énergie

Nanostructured Redox-Active Mesoporous Silica Films Based on An Electron-Hopping Mechanism : Charge Transfer Behaviors And Energy Storage Potentials

• Auteur / Autrice : Jianren Wang
• Direction : Neus Vilà, Alain Walcarius
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 02/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour les Matériaux et l’Environnement (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Vanessa Fierro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Neus Vilà, Alain Walcarius, Patrice Simon, Christel Laberty-Robert, Laurent Ruhlmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Simon, Christel Laberty-Robert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux nanostructurés

Transfert de charge

Énergie -- Stockage

Graphène

Autoassemblage

Silicium -- Couches minces

Mots clés libres

Film de silice

EASA

Graphène

Stockage de l'énergie

Sauts d'électrons

Silica film

EASA

Graphene

Energy storage

Electron-hopping

Résumé

Un nouveau type de matériaux de stockage d'énergie à base de silice fonctionnant avec un mécanisme de saut d'électrons a été préparé en combinant une méthode d'auto-assemblage électrochimique (EASA) et une réaction de clic d'azide-alcyne catalysée par le cuivre (CuAAC). Les centres actifs redox (molécules de ferrocène ou de cobaltocénium) répartis à la surface du film de silice peuvent directement commuter les électrons par le biais du processus de saut d'électrons. Les résultats démontrent que ce mécanisme de transfert de charge est capable de fournir un taux de transfert d'électrons rapide même sur le substrat de silice isolant, ce qui se traduit par une performance de taux supérieure par rapport aux matériaux faradiques traditionnels. La haute densité des molécules redox et la voie de diffusion des contre-ions lisses ont été identifiées comme jouant un rôle essentiel pour assurer le processus de saut d'électrons rapide. En outre, l'assemblage à grande échelle du système de saut d'électrons a été réalisé en générant le film de silice fonctionnalisé au ferrocène sur une électrode autoportante en mousse de graphène, présentant une densité de capacité 100 fois plus élevée que celle générée sur une électrode ITO, tout en maintenant la performance de taux élevé. Enfin, une tentative a été faite pour assembler la silice fonctionnalisée au ferrocène sur un dispositif planaire flexible, et les résultats préliminaires ont prouvé la faisabilité de l'idée que nous proposons. Globalement, dans cette thèse, l'étude systématique du potentiel du processus de saut d'électrons dans le domaine du stockage de l'énergie, qui pourrait ouvrir une nouvelle voie pour la construction de matériaux de stockage de l'énergie.

A new type of silica-based energy storage materials operating with electron-hopping mechanism has been prepared by combining electrochemically-induced self-assembly method (EASA) and a copper-catalyzed azide-alkyne click (CuAAC) reaction. The redox active centers (ferrocene or cobaltocenium molecules) distributed on the surface of the silica film can directly commute electrons via the electron-hopping process. The results demonstrate this charge transfer mechanism is able to deliver a fast electron transfer rate even on the insulating silica substrate, resulting in a superior rate performance in comparison to the traditional faradic materials. The high density of redox molecules and the smooth counter ions diffusion pathway have been identified playing a pivotal role to ensure the fast electron-hopping process. Besides, the large-scale assembly of the electron-hopping system has been achieved by further generating the ferrocene functionalized silica film on a free-standing graphene foam electrode, exhibiting a 100-times higher capacity density, in comparison to that generating on ITO electrode, while maintaining the high rate performance. Finally, an attempt has been tried to assemble the graphene-supported ferrocene-functionalized silica into a flexible planar device, and the preliminary results has proved the feasibility of our proposed idea. Overall, in this thesis, the systematical study for the potential of the electron-hopping process in the energy storage field, which may pave a new way for the construction of energy storage materials.