Nanocomposites à base de graphene pour des applications dans le stockage de l’énergie et la catalyse

Matériaux à base de graphène et d’oxyde de graphène ont attiré une grande attention depuis sa découverte. Cependant, comme la feuille de graphène a une surface spécifique élevée, il tend à former un agglomérat irréversible ou même empiler pour former le graphite par π-π empilage et Van-der Waals interactions. Les modifications doivent être faites pour séparer les feuilles de graphène sans apporter trop de dégâts dans sa structure aromatique. Dans cette thèse, nous avons lancé deux méthodes pour faire la modification du graphène, réaction de substitution nucléophile pour l’oxyde de graphène avec un C/O ~ 2 (FGS2), tandis que la demande électronique inverse réaction de Diels-Alder pour l’oxyde de graphène avec un très faible teneur en oxygène C/O ~ 20 (FGS20). Comme dans le second cas, FGS20 fonctionnalisés par tetrazine possède une excellente conductivité, il a été en outre combiné avec un polypyrrole pour fabriquer un matériau de supercondensateur.Dans le chapitre 2, nous avons greffé de manière covalente des dérivés de tétrazine à l'oxyde de graphène par substitution nucléophile. Comme l'unité de tétrazine est électroactif et riche en azote, avec un potentiel de réduction sensible du type de substituant et degré de substitution, nous avons utilisé l'électrochimie et la spectroscopie de photoélectrons X pour démontrer des preuves claires pour le greffage par liaison covalente. La modification chimique a été soutenue par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et analyse thermique. Tétrazines greffé sur l'oxyde de graphène affichent différentes pertes de masse par rapport à graphène non modifiée et sont plus stables que les précurseurs moléculaires. Enfin, un dérivé de pontage tétrazine a été greffée entre des feuilles d'oxyde de graphène pour démontrer que la distance de séparation entre les feuilles peut être maintenue lors de la conception de nouveaux matériaux à base de graphène, y compris les structures d'oxydo-réduction chimiquement liés, les structures d'oxydoréduction.Dans le chapitre 3, des molécules modèles de graphène ont été sélectionnés afin de déterminer les conditions optimales de réaction entre graphène et tétrazine dérivés. Toutes les molécules de tétrazine ont d'abord été étudiés par électrochimie et ensuite mis à réagir avec le graphène par la demande électronique inverse Diels-Alder (DAinv) réaction dans un réacteur à micro-ondes, la XPS a été réalisée pour étudier sa composition chimique et de prouver la modification avec succès du graphène. Ensuite, le matériau de graphène tétrazine fonctionnalisé a été appliqué sur une électrode en acier inoxydable et ses performances électrochimiques ont été évaluées par voltamétrie cyclique et les tests de charge-décharge. La plupart des tétrazine modifié matériaux de graphène a montré de très bonnes performances électrochimiques et une faible résistance due à une bonne accessibilité des ions, ce qui en fait l'un des matériaux d'électrodes les plus prometteuses pour les supercondensateurs jusqu'à présent. Dans le chapitre 4, polypyrrole (PPy)-graphène nanocomposites ont été synthétisés par polymérisation de PPy sur les feuilles de graphène fonctionnalisés par tétrazine. Le matériau de graphène modifié contient des unités pyridazine tel que démontré par XPS. Puis PPy a été déposé sur ce matériau de graphène fonctionnalisé soit par polymérisation chimique ou électrochimique. Cellules de pièces symétriques ont été faites pour mesurer la capacité dans une configuration à deux électrodes. Les nanocomposites de polypyrrole-graphène avec 40% PPy présentent les meilleures performances électrochimiques et une faible résistance en raison d'une bonne accessibilité des ions, ce qui en fait l'un des meilleurs matériaux d'électrodes pour supercapacitor jusqu'à présent.Graphene and graphene oxide based materials have attracted great attention since its discovery. However, as graphene sheet has a high specific surface area, it tends to form an irreversible agglomerates or even restack to form graphite through π–π stacking and van-der Waals interactions. Modifications need to be done to separate graphene sheets without bringing too much damage in its aromatic structure.In this thesis, two methods have been introduced to do the modification of graphene, nucleophilic substitution reaction for graphene oxide with a C/O~2 (FGS2), while inverse electron demand Diels-Alder reaction for graphene oxide with a very low oxygen content C/O~20 (FGS20). As in the latter case, tetrazine functionalized FGS20 has excellent conductivity, it has been further combined with polypyrrole to fabricate supercapacitor material.In chapter 2, we have covalently grafted tetrazine derivatives to graphene oxide through nucleophilic substitution. Since the tetrazine unit is electroactive and nitrogen-rich, with a reduction potential sensitive to the type of substituent and degree of substitution, we used electrochemistry and X-ray photoelectron spectroscopy to demonstrate clear evidence for grafting through covalent bonding. Chemical modification was supported by Fourier transform infrared spectroscopy and thermal analysis. Tetrazines grafted onto graphene oxide displayed different mass losses compared to unmodified graphene and were more stable than the molecular precursors. Finally, a bridging tetrazine derivative was grafted between sheets of graphene oxide to demonstrate that the separation distance between sheets can be maintained while designing new graphene-based materials, including chemically bound, redox structures.In chapter 3, model molecules of graphene were selected to determine the optimal reaction conditions between graphene and tetrazine derivatives. All tetrazine molecules were firstly studied by electrochemistry and then reacted with graphene through inverse electron demand Diels-Alder (DAinv) reaction in microwave reactor, X-ray photoelectron spectroscopy was carried out to study its chemical composition and prove the successfully modification of graphene. Then the tetrazine functionalized graphene material was coated on a Stainless Steel electrode and its electrochemical performances were assessed by cyclic voltammetry and charge-discharge experiments. Most of the tetrazine modified graphene materials showed very good electrochemical performance and a small resistance due to a good ion accessibility, which makes it one of the most promising electrode materials for supercapacitors so far.In chapter 4, polypyrrole (PPy)-graphene sheet nanocomposites have been synthesized by both chemical and in situ electrochemical polymerization of PPy on tetrazine derivatives functionalized graphene sheets. The modified graphene material contains pyridazine units as demonstrated by XPS. Then PPy was deposited on this functionalized graphene material either by chemical or electrochemical polymerization. Symmetrical coin cells were made to measure the capacitance in a two-electrode configuration. Polypyrrole-graphene nanocomposites with 40% PPy show the best electrochemical performances, with a very large capacitance per weight (326 F g-1 at 0.5 A g-1 and 250 F g-1 at 2 A g-1) and a small resistance due to a good ion accessibility, which makes it one of the best electrode materials for supercapacitors so far