L'objectif de cette thèse a été d'augmenter la densité d'énergie des supercondensateurs. La première partie de cette thèse a été consacrée à l'amélioration des performances d'une électrode de carbone pour supercondensateur en étudiant à la fois un mélange de liquides ioniques ainsi que des carbones offrant différents types de microstructures. Une augmentation importante de la capacité spécifique sur une large gamme de températures (-50°C ;100°C) est obtenue en couplant un mélange eutectique de liquides ioniques, (PIP13-FSI)0.5 (PYR14-FSI)0.5, avec un oxyde de graphite exfolié par micro-onde et activé par KOH (a-MEGO). Cette première partie de la thèse met ainsi l'accent sur l'importance d'optimiser l'interface carbone/électrolyte afin de maximiser la densité. Dans la deuxième partie, les mécanismes de stockage des charges dans les pores des carbones à l'échelle moléculaire ont été étudiés in-situ grâce à une microbalance électrochimique à cristal de quartz (EQCM). Les études EQCM ont été menées dans deux systèmes électrode/électrolyte : (1) des carbones dérives de carbure dans des électrolytes à base de EMI-TFSI et (2) un carbone activé dans l'électrolyte PEt4BF4. Les résultats d'EQCM et de RMN in-situ montrent comment les ions différents et les molécules du solvant sont impliqués pendant la charge. Ces résultats sont très encourageants et montrent que l'EQCM constitue une sonde dont la sensibilité permet d'étudier la dynamique des ions dans la porosité des électrodes de carbone lors de la charge et de la décharge des supercondensateurs. / The aim of this PhD work focuses on different approaches to improve the energy density of supercapacitors. First part of this thesis work is to improve the performance of supercapacitor by using ionic liquid mixtures as electrolytes and carbons with different microstructures. A significant increase of specific capacitance over wide temperature range (-50 to 100°C) was obtained by using an eutectic ionic liquid mixture, (PIP13-FSI)0.5 (PYR14-FSI)0.5, with an activated microwave exfoliated graphite oxide (a-MEGO). These results evidence that optimization of the carbon/electrolyte interface is of great importance for maximizing the capacitive energy. In the second part of the thesis, the charge storage mechanisms in the porous carbons at molecular scale have been studied using Electrochemical Quartz Crystal Microbalance (EQCM). EQCM studies were conducted on two electrode/electrolyte systems: (1) carbide-derived carbons in neat and solvated EMI-TFSI ionic liquid under dynamic charging condition and (2) YP-50F activated carbon in solvated PEt4BF4 electrolyte under steady state charging condition. EQCM and in-situ NMR results showed how different ions and solvent molecules are involved in the charging process. These results provide a direct molecular-level insight into the charge storage process, showing that EQCM is promising electrogravimetric probe to study compositional changes in carbon microspores during charging/discharge of supercapacitors.

Kinetics and thermodynamics of bismuth (Bi) underpotential deposition (UPD) on ruthenium (Ru) and on electrochemically formed Ru oxide are studied using electrochemical quartz crystal microbalance technique. The Bi UPD and Bi bulk deposition are observed both on Ru and on electrochemically formed Ru oxide electrodes. The anodic peak potential of Bi UPD shifts slightly to positive potential as the scan rate increases. The peak current ratio (IAnode/ICathode) of Bi UPD and Bi bulk increases as the scan rate increases. Bi monolayer coverage calculated from mass (MLMass) and from charge (MLCharge) with scan rates dependent are compared both in Bi UPD region and in Bi bulk region. Stability and oxidation time effects are also investigated. Bi UPD on Ru and on electrochemically formed Ru oxide are quasi-reversible, scan rate independent, oxidation time dependent, and have higher plating efficiency on Ru. However, Bi bulk deposition on Ru and on electrochemically formed Ru oxide are quasi-reversible, scan rate dependent, oxidation time independent, and have higher plating efficiency on electrochemically formed Ru oxide. Both Bi UPD adatoms and Bi bulk are unstable in 0.5M H2SO4.

TEMPO-mediated oxidation is a widely used approach to introduce aldehyde and carboxyl groups on cellulose. In the conventional TEMPO-mediated oxidation, the mediator TEMPO is a small molecule. Previous research in our group advanced TEMPO-mediated oxidation by grafting TEMPO onto high molecular weight poly(acrylic acid) and polyvinylamine. The polymer grafted TEMPO-mediated oxidation required less TEMPO and had a lower environmental impact. This thesis describes new insights into the role of polymer grafted TEMPO as mediator for cellulose oxidation. The redox-activity of grafted TEMPO was analyzed by electrochemical techniques and the resulting aldehyde densities on cellulose surfaces, produced by polymer grafted TEMPO, were determined with a fluorescence-labeling method. The properties of polymer grafted TEMPO solutions are essential to understanding the role of grafted TEMPO as the oxidation mediator. TEMPO substitution compacted both the conformation of poly(acrylic acid) and polyvinylamine due to the lower hydrophilicity of the TEMPO substituents. Poly(acrylic acid-g-TEMPO) (PAA-T) solutions phase separated over the pH range 2-4, whereas at lower and higher pH the polymer was water-soluble. The phase separation at low pH was proposed to be the combined result of the hydrophobic contributions of the TEMPO moieties and electrostatic interactions between the acid-induced cationic TEMPO species and the anionic ionized carboxyl groups. Polyvinylamine-g-TEMPO (PVAm-T) was water-soluble over a larger pH range (pH 1-9) due to the ionization of the amine groups. Both the PAA-T and PVAm-T were slightly surface active. Multilayer films composed of PVAm-T and poly(styrene sulfonate) were stable and redox-active. Charge transport in the redox multilayer films was realized through TEMPO-to-TEMPO electron hopping between neighboring TEMPO moieties. Only 20-30% of TEMPO moieties were redox-active, reflecting the requirement that TEMPO moieties must be closer than ~ 0.6 nm for electron hopping to occur. The redox multilayer films displayed significant interpenetration of layers. The ability of PVAm-T to spontaneously adsorb onto negatively charged surfaces in aqueous solutions provides an easy route to TEMPO-rich surfaces for other applications. Specific attention was focused on the role of PVAm-T as mediator for cellulose oxidation in the presence of laccase. Positively charged PVAm-T formed colloidal complexes with negatively charged laccase. The behaviors of PVAm-T/laccase mixtures displayed the classic features of polyelectrolyte complexes formed between oppositely charged polyelectrolytes. For the first time, electrochemical quartz crystal microbalance with dissipation (EQCM-D) measurements were used to characterize the redox properties of the adsorbed PVAm-T/laccase complexes. The role of PVAm-T as mediator for cellulose oxidation depended upon TEMPO-to-TEMPO electron transfer within PVAm-T/laccase colloidal complexes. The aldehyde density on oxidized cellulose surfaces scaled with the square root of surface molar density of redox-active TEMPOs which, in turn, was a linear function of TEMPO degree of substitution in PVAm-T. As a result, the aldehyde density on cellulose surfaces, generated by PVAm-T/laccase oxidation, can be controlled by varying the TEMPO degree of substitution in PVAm-T. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Polypyrrol (PPy) ist ein typischer Vertreter der intrinsisch leitfähigen Polymere und wird auf zahlreichen Gebieten, wie Analytik, Korrosionsschutz oder Elektrotechnik angewendet. Dabei nutzt man die elektronische Schaltbarkeit, die Stabilität und die gute Oxidierbarkeit sowie die Wasserlöslichkeit der Monomere aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Parameter, wie Temperatur, Monomerkonzentration und Leitsalz, auf die elektrochemische Polymerisation von Pyrrol untersucht. Des Weiteren sollte die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Synthese und das Ionenaustauschverhalten überprüft werden. Als Messverfahren kamen die elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zum Einsatz. Bei der Auswertung der EQCM-Daten wurde ein von Efimov entwickeltes mathematisches Modell zur Bestimmung des komplexen Schermoduls angewendet. Dadurch war eine in situ Verfolgung der viskoelastischen Eigenschaften während der Abscheidung und des Ionenaustausches möglich. Um den hydrodynamischen Einfluss auf die Synthese von PPy zu untersuchen, wurden Messungen an einer rotierenden Scheibenelektrode durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse vermittelten eine Vorstellung, wie sich eine durch den magnetohydrodynamischen Effekt hervorgerufene Rührung auf die Grenzströme der potentiostatischen Abscheidung verschiedener PPy|Leitsalz Systeme auswirkt. Ferner ist die Abscheidung von PPy aus Phosphorsäure betrachtet worden, da diese Schichten eine Relevanz für den Korrosionsschutz besitzen.

L'oxyde d'aluminium anodique poreux (AAO) est formé par anodisationde l'aluminium dans une solution électrolytique acide, sous une tensionconstante et de la température de l'électrolyte. Des techniques spectroscopiquespareilles que la spectroscopie infrarouge FT (ATR-FTIR), diffraction des rayonsX (XRD), spectroscopie Raman, la microscopie à force atomique (AFM) etmicroscopie électronique à balayage (MEB) utilisés pour caractériser la matrice.L'oxydation anodique d'acides L-aminés et des mélanges de monomèrescomprenant 0,1 M aniline et des acides L-aminés dans le milieu aqueux acide deplatine et électrode lisses électrodes Pt modifié (Pt / AAO) est étudié.L'oxydation des acides L-aminés et les électropolymérisation de l'aniline 0,1 Mavec des acides L-aminés tels que la L-alanine, la L-sérine, la L-méthionine,acide L-aspartique, la L-lysine, et phénylalanine en acide le milieu a étéeffectuée par voltammetric cyclique électrochimique couplée à microbalance àcristal de quartz (EQCM). La concentration des acides aminés, le pH del'électrolyte et les effets de balayage de numéros de voltamétrie cyclique ont étéexaminées. L'analyse spectroscopique comme réflectance totale atténuée FTspectroscopie infrarouge (ATR-FTIR), UV-visible, la spectroscopiephotoélectronique à rayons X (XPS), la spectroscopie Raman, et la diffractiondes rayons X (XRD) sont utilisés pour caractériser les couches minces obtenues.Microscopie électronique à balayage (MEB) utilisé pour étudier la morphologiede surface mince de films. La solubilité pour les polymères sont étudiées. Laprésence de liaisons peptidiques est clairement mise en évidence. DFTmodélisation de poly-L-acides aminés volet sur Pt (001) couplée à des mesuresspectroscopiques sont en faveur de L-amino-acides électropolymérisation enacides poly-L-aminés d'une manière irréversible.Les électrosynthèses de poly-L-amino acides, la polyaniline et depolymères ont été utilisées en tant que récepteur de protons à l'état solide pHcapteur solide. / Anodic aluminum oxide porous (AAO) is formed by the anodization ofaluminum in acidic electrolytic solution under at constant voltage and electrolytetemperature. Spectroscopic techniques such as FT infrared spectroscopy (ATRFTIR),X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, atomic force microscopy(AFM) and scanning electron microscopy (SEM) used to characterize thetemplate.The anodic oxidation of L-amino acids and monomer mixtures comprising0.1 M aniline and some L-amino acids in acidic aqueous medium on platinumsmooth electrodes and modified Pt electrode (Pt/AAO) is studied. The oxidationof L-amino acids and in presence of aniline 0.1 M with L-amino acids such as Lalanine,L-serine, L-methionine, L-aspartic acid, L-lysine, and L- phenylalaninein acidic media was carried out by cyclic voltammetry coupled withelectrochemical quartz crystal microbalance (EQCM). The Amino acidconcentration, pH of the electrolyte and the scan number effects on cyclicvoltammetry were examined. Spectroscopic analysis such as attenuated totalreflectance FT infrared spectroscopy (ATR-FTIR), UV-Visible, X-rayphotoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy, and X-ray diffraction(XRD) are used to characterize the resulting thin film coatings. Scanningelectron microscopy (SEM) used to study the morphology of thin films surfaceas well as the solubility are studied. The presence of peptide bonds is clearlyhighlighted. DFT modelization of poly-L-amino acids strand on Pt(001) coupledto spectroscopic measurements are in favor of L-amino acidselectropolymerization into poly-L-amino acids in an irreversible way.The electrosynthesis of poly-L-amino acids, polyaniline and polymerswere used as proton receptor for solid state pH solid sensor.

Polypyrrol (PPy) ist ein typischer Vertreter der intrinsisch leitfähigen Polymere und wird auf zahlreichen Gebieten, wie Analytik, Korrosionsschutz oder Elektrotechnik angewendet. Dabei nutzt man die elektronische Schaltbarkeit, die Stabilität und die gute Oxidierbarkeit sowie die Wasserlöslichkeit der Monomere aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Parameter, wie Temperatur, Monomerkonzentration und Leitsalz, auf die elektrochemische Polymerisation von Pyrrol untersucht. Des Weiteren sollte die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Synthese und das Ionenaustauschverhalten überprüft werden. Als Messverfahren kamen die elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zum Einsatz. Bei der Auswertung der EQCM-Daten wurde ein von Efimov entwickeltes mathematisches Modell zur Bestimmung des komplexen Schermoduls angewendet. Dadurch war eine in situ Verfolgung der viskoelastischen Eigenschaften während der Abscheidung und des Ionenaustausches möglich. Um den hydrodynamischen Einfluss auf die Synthese von PPy zu untersuchen, wurden Messungen an einer rotierenden Scheibenelektrode durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse vermittelten eine Vorstellung, wie sich eine durch den magnetohydrodynamischen Effekt hervorgerufene Rührung auf die Grenzströme der potentiostatischen Abscheidung verschiedener PPy|Leitsalz Systeme auswirkt. Ferner ist die Abscheidung von PPy aus Phosphorsäure betrachtet worden, da diese Schichten eine Relevanz für den Korrosionsschutz besitzen.

<p>Electrochemical deposition finds applications in the electronics- and protective coating industries. The technique is a versatile tool for the synthesis of alloys and thin films. Knowledge of the fundamental aspects of the electrode processes enables the design of nanostructured materials. In this thesis, electrodeposition processes in solutions containing metal ion complexes were studied and new methods for the preparation of metal/metal-oxide coatings were developed and evaluated. </p><p>Metal/metal oxide coatings were electrodeposited from aqueous solutions containing metal complexes of hydroxycarboxylic acids under reducing conditions. The mass changes of the working electrode were monitored <i>in-situ</i> with the electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) technique and ellipsometry was used to detect the formation of Cu₂O. The coatings were further characterized with XRD, XPS, SEM, TEM, and Raman spectroscopy. Electrochemical methods, including reduction of Sb/Sb₂O₃ in an organic electrolyte, were also used to study the properties of the deposited materials. </p><p>Nanostructured coatings of Cu/Cu₂O were obtained during spontaneous potential or current oscillations in alkaline Cu(II)-citrate solutions. The oscillations were due to local pH variations induced by a subsequent chemical step and comproportionation between Cu and Cu²⁺. Well-defined layers of Cu and Cu₂O could be prepared by a galvanostatic pulsing technique, allowing independently controlled thickness of several hundred nanometers. Coatings, containing Sb and co-deposited, nanograins of Sb₂O_3, with a thickness of up to 200 nm were prepared from poorly buffered Sb(III)-tartrate solutions. Galvanostatic cycling showed that the latter material could be reversibly charged and discharged in a Li-ion battery for more than 50 cycles with a capacity of 660 mAh/g. </p><p>The results show that precipitations of metal oxides can occur due to local pH increases during electrochemical deposition from metal complexes with ligands containing hydroxyl groups. The ability to deposit metal oxides using cathodic deposition relies on a sufficiently slow reduction of the oxide. </p>

Une piqûre est généralement décrite comme étant une attaque concentrée sur une petite portion de surface, qui se propage en profondeur dans le métal et dont l'évolution reste très imprévisible. Les techniques électrochimiques "classiques" sont très utilisées pour étudier les problèmes liés à la corrosion localisée et ont permis de décrire le comportement global d'une électrode métallique sans cependant pouvoir décrire le développement d'une piqûre isolée. La finalité de cette étude est la compréhension de la corrosion par piqûre du Fer depuis l'étape d'initiation jusqu'à la phase de propagation ou de repassivation. Ce travail a donc concerné la mise en oeuvre de protocoles expérimentaux permettant d'étudier une piqûre unique. Pour y parvenir, le microscope électrochimique à balayage (SECM) a été utilisé pour la génération de la piqûre. Son évolution a pu être étudiée par des mesures de courants ou de potentiels ainsi que par d'autres techniques in situ couplées au SECM (spectroscopie d'impédance EIS, microbalance à quartz). Des techniques physiques d'analyse (microscope électronique à balayage, analyse Raman,...) ont également été utilisées pour caractériser a posteriori la piqûre et les produits de corrosion. Les résultats obtenus ont notamment permis de corréler différents paramètres expérimentaux avec l'initiation et la propagation de la piqûre. Les produits de corrosion ont pu être déterminés en fonction de la nature de l'électrolyte (acide, neutre ou basique). L'utilisation du couplage SECM / EQCM a permis la détermination du degré d'oxydation du Fer dissous et le couplage SECM / EIS a permis de caractériser l'évolution de la piqûre.

Les couches minces d'argent (10 nm d'épaisseur) sont largement utilisées dans l'industrie verrière pour leur performance dans l'isolation thermique des bâtiments. Cependant, elles sont sensibles à la corrosion pendant le transport et le stockage. L'objectif de la thèse est de mieux comprendre les mécanismes de sulfuration de ces couches, en solution aqueuse sulfurée, avec un système modèle Ag/Ti/SiO2 préparé par PVD. Le comportement électrochimique, les modifications structurales superficielles, les aspects cinétiques et la chimie de surface ont été étudiés aux échelles macroscopique et atomique. Un comportement électrochimique similaire à celui observé pour des couches épaisses est démontré. Le mécanisme d'adsorption 2D du soufre sur monocristal Ag(111) dans Na2S 1 mM + NaOH 0,1 M a été étudié par EC-STM. Les surstructures (2√3 × 2√3)R.30°, (√3 × √3)R.30° et (√7 × √7)R.19° du soufre adsorbé sont formées successivement, avec l'augmentation du potentiel, jusqu'à la saturation de la surface. Les bords de marches seraient des sites de réaction privilégiés et, en extrapolant à une couche polycristalline orientée préférentiellement (111), ce sont les joints de grains qui joueraient ce rôle. La cinétique de formation spontanée du sulfure d'argent au potentiel de circuit ouvert (OCP) a été suivie in situ par EQCM. La vitesse moyenne de croissance d'Ag2S est estimée à 750 ng.cm-2.min-1. La formation d'Ag2S en îlots 3D est mise en évidence : le taux de recouvrement du sulfure augmente jusqu'à environ 85%, tandis que les îlots croissent en hauteur. La sulfuration augmente la rugosité de surface et détruit la structure stratifiée de l'empilement initial.

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have attracted great attention due to their high power density, low-temperature operation and high energy conversion efficiency. However, the high cost of Pt catalysts and durability problems hinder their commercialization. So their cost must be lowered drastically and their durability must be extended. In an effort to overcome these problems, there have been intensive efforts to enhance the activity, durability and to lower the price of catalysts by alloying with other less expensive metals. In particular, the sluggish kinetics of ORR caused by Pt oxide at cathode and Pt catalyst degradation by electrochemical surface area (ECSA) loss have been a huge research area where a lot of researchers have paid lots of attention to solve. In this regard, the objective of this dissertation is to evaluate a series of Pt catalyst electrode surface electrochemical reactions on PEMFC electrode in order to help searching new catalysts and enhancing system design, assist in the search for new catalysts and improved system design by suggesting the developed mechanism of electrocatalyst activity and stability (durability). We have been focused on understanding the oxide-mediated dissolution of Pt by using electrochemical experiment methods such as RRDE, EQCN, SECM with a combination of ICP-MS and computational simulation with COMSOL Multiphysics. Firstly, in chapter 3, we showed the oxide-mediated Pt dissolution rate and the influence of hydrogen and cation underpotential deposition on Pt dissolution. In chapter 4, we revealed oxygen reduction reaction (ORR) plays a significant role in Pt oxide formation and reduction that influences the Pt catalyst dissolution, resulting in accelerated Pt dissolution rate at specific potential range. Finally, we found out the nature of mobile species generated during PtO₂ reduction process which have been disputed as Pt ion or other mobile species and fulfilled computational simulation for evaluation of SECM experiment in chapter 5. Based on these experiments and simulation, we were able to explain some mechanism of literature results that already were reported but have not been clearly explained so far. In terms of the purpose of this dissertation, the mechanism of oxide-mediated Pt dissolution, influence of ORR to Pt oxide formation/reduction and Pt dissolution, the nature of mobile species generated during PtO₂ reduction process, are sure to be very helpful in developing new catalysts and enhancing system design and suggested operating conditions. / text