Synthèse, caractérisation et simulation de matériaux d’anode à base de phosphorene pour l’application batterie à ion de lithium

In the present thesis work, we presented an ab-initio study based on Density Functional Theory (DFT), to explore the structural, electronic, and photocatalytic properties of 2D phosphorene in the presence of the following chemical species: H, H+, OH, OH-, H2O, and H3O+ on its surface. We have shown that the effect of these adsorbents on the optical properties of phosphorene results in a positive response in the visible spectral range, which is very much in demand in photocatalytic applications. Our results showed that the use of phosphorene as a photocatalyst while preserving its structure requires neutral solvents (pH=7). Furthermore, we studied the stability of four two-layer phosphorene stacks, such as AA, AB, AC, and AD configurations; this study allowed us to conclude that at T=0K the AB configuration is the most stable, while AA, AC, and AD are unstable. On the other hand, at room temperature (300K) the AA and AD configurations converge to that of AB. After 2000fs, we have shown that the structure of the AC configuration loses long-range order through the breaking of the vdW interactions between the two layers of the AC stack. In parallel, we also studied the structural stability of phosphorene in the presence of oxygen, as well as the electronic and optical properties. The structure of phosphorene was shown to undergo small local perturbation at the surface, upon adsorption of oxygen on preferential sites. As a consequence, an increase of its band gap from 1.52 eV to 1.68 eV has been observed. In addition to the theoretical study, we have developed an experimental synthesis protocol based on the hydrothermal method, as a simple and inexpensive way for the synthesis of phosphorene, using amorphous red phosphorus as a basic precursor. Using different techniques, such as XRD, XPS, SEM, and Raman, we have shown the efficiency of our synthesis process to prepare 2D phosphorene.Dans les présents travaux de thèse, nous avons présenté une étude ab-initio basé sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), pour explorer les propriétés structurales, électroniques, et photocatalytiques de phosphorène 2D en présence des espèces chimiques suivant : H, H+, OH, OH-, H2O, et H3O+ à sa surface. Nous avons montré que l’effet de ces adsorbants, sur les propriétés optiques du phosphorène, se traduit par une réponse positive dans le domaine spectral du visible, très demandée dans l’application photocatalytique. Nos résultats ont démontré que l’utilisation du phosphorène comme photocatalyseur toute en conservant sa structure nécessite des solvants neutres (pH=7). Par ailleurs, nous avons étudié la stabilité de quatre empilements de deux couches de phosphorène, telles que les configurations AA, AB, AC, et AD ; cette étude nous a permis de conclure qu’à T=0K la configuration AB est le plus stable, alors que AA, AC, et AD sont instable. En revanche, à température ambiante (300K) les configurations AA et AD convergent vers celle de AB. Après 2000fs, nous avons montré que la structure de la configuration AC perd l’ordre à longue distance par la brisure des interactions vdW entres les deux couches de l’empilement AC. Parallèlement, nous avons aussi étudié la stabilité structurale du phosphorène en présence de l’oxygène, ainsi que les propriétés électroniques et optiques. La structure du phosphorène a été montré subir de faible perturbation locale à la surface, lors de l’adsorption de l’oxygène sur des sites préférentiels. Comme conséquence, une augmentation de sa bande interdite de 1.52 eV à 1.68 eV a été observée. En plus de l’étude théorique, nous avons mis au point un protocole de synthèse expérimentale basé sur la méthode hydrothermale, comme moyen simple et non couteux, pour la synthèse du phosphorène, en utilisant le phosphore rouge amorphe comme précurseur de base. En utilisant différentes techniques, telles que XRD, XPS, MEB, et Raman, nous avons montré l’efficacité de notre processus de synthèse à préparer le phosphorène 2D