Etude et réalisation des couches d’oxydes métalliques pour le stockage de l’énergie

Abstract

Comme nous le savons tous, le 21éme siècle nous a apporté deux défis majeurs. L'un est la pénurie d'énergie et l'autre le réchauffement climatique. Maintenant, pour surmonter ces défis, il est hautement souhaitable de développer des nano-dispositifs autonomes susceptibles de fonctionner avec de l'énergie verte et à faible émission de carbone. Ce travail résume le développement des nano et hétérostructures à base des oxydes métalliques, tel que : MnOx, CuxOy, pour le stockage de l'énergie et de la détection des gaz, respectivement. Les méthodes d'élaboration de ces matériaux ont suscité un intérêt croissant pour obtenir des voies de synthèses rentables et respectueuses de l'environnement aux rendements élevés avec moins de production de déchets toxiques. A cet effet et dans une première partie, une hétérostructure bicouche de Cu2O type-n/CuO type-p/SiP type-n a été synthétisée par l'élaboration des couches de l'oxyde de cuivre en deux étapes, à savoir : la technique d'évaporation sous vide suivie d'une oxydation thermique du cuivre métallique pur (Cu). Dans un bain aqueux d'acétate de cuivre (C4H6CuO4) et acétate de sodium (C2H3NaO2), une couche d'oxyde cuivreux de type n de Cu2O est ensuite déposée par la méthode d'électrodéposition sur le CuO lui-même déposé sur un substrat de silicium mésoporeux (SiP) pour sa grande surface spécifique et ses propriétés optiques et électriques intéressantes. Les caractéristiques courant-tension (I-V) et le temps de réponse (I-t) du dispositif à hétérostructure dans l'environnement gazeux CO2 ont été obtenus à un faible potentiel de polarisation de 0,85 V et un temps de réponse rapide de l'ordre de 1 sec à température ambiante. La structure bicouche Cu2O-n-/CuO-p- /SiP-n- est obtenue avec une activité et une sensibilité de l'ordre de 80%, ce qui est une sensibilité élevée. Dans la deuxième partie, pour l'application de stockage d'énergie, le MnO2, considéré comme un matériau d'électrode prometteur et compétitif pour la réalisation de supercondensateurs, est synthétisé en combinaison avec des matériaux carbonés papier carbone CP et nanotubes de carbone CNT, ces composites étant actifs en milieu aqueux neutre de Na2SO4. Des caractérisations physico-chimiques et électrochimiques ont été réalisées afin d'évaluer leurs performances et d'en comprendre la relation entre leurs structures, leurs propriétés et leurs performances électrochimiques. Nous avons montré que la synthèse de ces composites MnO2/CNT mène à une amélioration des performances électrochimiques. Plusieurs échantillons ont été étudiés afin de réaliser un matériau d'électrode de supercapaciteur optimisé. Ces composites ont été étudiés dans des systèmes à deux et à trois électrodes. Les résultats montrent que le système MnO2/CNT fourni une capacité spécifique supérieure à 275 F/g sur un domaine de potentiel de 1 Volt. Sur 10000 cycles continus de charge/décharge, la rétention de la capacité spécifique, C/C0 (capacité spécifique normalisée à la capacité spécifique du premier cycle), montre que le système MnO2/CNT présente un excellent comportement cyclique sans aucune perte de capacité.