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Poly(Ionic Liquid) Block Copolymer Gated Organic Thin-Film TransistorsPeltekoff, Alexander 24 November 2021 (has links)
Since the discovery of organic semiconductors (OSCs) over four decades ago, the field of organic electronics has broken our misconceptions regarding the possibilities of modern electronics. The synthetic toolkit of organic chemistry enables the creation of a limitless number of unique OSCs that can be specifically tailored and engineered with the specific and desired properties for unique applications. The rapid adoption of modern information systems, “Internet of Things,” in which smart devices and sensors ubiquitously collect and exchange data has resulted in a need for low-cost sensors to be deployed everywhere from the monitoring of food supply chains, environmental conditions, to human health. Organic thin-film transistors (OTFTs) are a necessary component to support these technologies. However, their mass adoption will require reduction in cost and improved compatibility with low voltage generating printed batteries or flexible and ultrathin photovoltaics.
This thesis is focused on the development of high performing solid state polymer electrolytes to be employed as the gating medium in OTFTs. The choice of conventional gating materials often leads to a tradeoff between high capacitance, operating speed and material softness. For example liquid electrolyte gating materials have high capacitance but low operating speed and are liquid at room temperature which is unacceptable for many electronics application. Polymer gating materials often have lower capacitance but fast operating conditions and solid at room temperature. In this thesis we establish structure property relationships which aid in the design of novel block copolymer-based gating materials which simultaneously enable the increase in capacitance and switching speed while remaining solid at room temperature. In the first study I established a styrene-based ionic liquid monomer can be using as a controlling monomer in the nitroxide mediated copolymerization of methacrylates. The second study then focuses on the integration of these materials into OTFT devices; the morphology (block vs random copolymers) effect on device performance is assessed. The last study builds on the findings of the previous study and further explores the structural elements of block copolymers on device performance.
The work presented here outlines the development of advanced poly(ionic liquid) based solid electrolyte materials that enables both reduced operating voltages and fast switching. Finally, we establish structure-property relationships that relate the molecular architecture to OTFT device performance paving the way for the adoption of a new generation of high performing, printable and flexible electronics.
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Synthèse de nanogels à base de poly(liquides ioniques), par copolymérisation radicalaire réticulante contrôlée par le cobalt, pour des applications de revêtement / Synthesis of poly(ionic liquid)-type nanogels by cobalt-mediated radical cross-linking copolymerization, for coating applicationsWeiss-Maurin, Mathilde 20 September 2016 (has links)
La synthèse de nanogels par voie directe est étudiée par la copolymérisationradicalaire réticulante contrôlée par le cobalt (CMRCcP) d’un monomère monovinylique et d’unréticulant divinylique. La synthèse de nanogels globulaires a été réalisée en utilisant unsystème de co-monomères soit neutres (acétate de vinyle et adiapte de divinyle) soit liquidesioniques. Le contrôle de la polymérisation est vérifié dans tous les cas, les liaisons C-Cosituées aux extrémités des chaînes polymères ont été réactivées, afin de former des nanogelsde « seconde-génération ». Dans le cas de monomères liquides ioniques, différents contreanionsont été utilisés afin de jouer sur l’hydrophilie des co-monomères : la CMRCcP dubromure de N-vinyl-3-ethyl imidazolium (VEtImBr) et du bromure de 1,13-divinyl-3-decyldiimidazolium (DVImBr) a été réalisée dans l’eau, à 30 °C, pour former des nanogelspoly(VEtImbr-co-DVImBr) hydrophiles. Les propriétés antibactériennes de ces nanogels ontété étudiées.Les pendants hydrophobes de ces nanogels à base de PILs ont été synthétisés via laCMRCcP directe, dans l’acétate d’éthyle, de co-monomères contenant des contre-anionsbis(trifluromethanesulfonyl)imide (NTf2-). La capacité à former des surfaces poreusesordonnées de ces nanogels hydrophobes poly(VEtImNTf2-co-DVImNTf2) a été examinée, ainsique leur conductivité ioniques en films minces.Des copolymérisations ‘mixtes’ ont également été étudiées, dans l’optique de formerdifférentes architectures nanogels en utilisant des co-monomères ayant des réactivités trèsdifférentes. / The syntheses of globular nanogels were first investigated under mild conditions,using a mono- and a divinyl co-monomer with similar reactivities. CMRCcP was implementedon either neutral (vinyl acetate (VAc) and divinyl adipate (DVA)) co-monomers, or ionic liquidco-monomers. Control over each polymerization was ascertained, and dormant cobaltcarbonchain-ends could be re-activated to form “second-generation” nanogels. CMRCcP ofN-vinyl-3-ethyl imidazolium bromide (VEtImBr) and 1,13-divinyl-3-decyl diimidazoliumbromide (DVImBr) was achieved in water at 30 °C, leading to hydrophilic poly(VEtImBr-co-DVImBr) nanogels. The antibacterial activity of these cross-linked structures wasinvestigated. The hydrophobic pendants of these PIL-based nanogels were synthesized viadirect CMRCcP in ethyl acetate, using bis(trifluromethanesulfonyl)imide (NTf2-) counteranions. An array of these poly(VEtImNTf2-co-DVImNTf2) nanogels was then investigated aspossible coatings for porous patterned surfaces, and their ionic conductivity assessed.Different cross-linked architecture were approached, using a mono- and a divinyl comonomersof completely different reactivities.
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Bridging Mesoscale Phenomena and Macroscopic Properties in Block Copolymers Containing Ionic Interactions and Hydrogen BondingChen, Mingtao 08 August 2018 (has links)
Anionic polymerization and controlled radical polymerization enabled the synthesis of novel block copolymers with non-covalent interactions (electrostatic interaction and/or hydrogen bonding) to examine the relationships between mesoscale phenomenon and macroscopic physical properties. Non-covalent interactions offer extra intra- and inter-molecular interactions to achieve stimuli-responsive materials in various applications, such as artificial muscles, thermoplastic elastomers, and reversible biomacromolecule binding. The relationship between non-covalent interaction promoted mesoscale phenomenon (such as morphology) and consequent macroscopic physical properties is the key to optimize material design and improve end-use performance for emerging applications.
Pendant hydrogen bonding in ABA block copolymers promoted microphase separation and delayed the order-disorder transition, resulting in tunable morphologies (through composition changes) and extended rubbery plateaus. Reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization afforded a facile synthesis of ABA triblock copolymers with hydrogen bonding (urea sites) and electrostatic interactions (pyridinium groups). Pyridine groups facilitated hydrogen bonding through a preorganization effect, leading to highly ordered, long-range lamellar morphology and a significant increase of flow temperature (Tf) 80 °C above the hard block Tg. After quaternization of pyridine groups, electrostatic interaction, as a second physical crosslinking mechanism, disrupted ordered lamellar morphology and decreased Tf. Yet, extra physical crosslinking from electrostatic interactions pertained ordered hydrogen bonding at high temperature and exhibited improved stress-relaxation properties.
Both conventional free radical polymerization and RAFT polymerization generated a library of poly(ionic liquid) (PIL) homopolymers with imidazolium groups as bond charge moieties. A long chain alkyl spacer between imidazolium groups and the polymer backbones ensured a low glass transition temperature (Tg), which is beneficial to ion conductivity. Four different counter anions enabled readily tunable Tgs all below room temperature and showed promising ion conductivities as high as 2.45 × 10⁻⁵ S/cm at 30 °C. For the first time, the influence of counter anions on radical polymerization kinetics was observed and investigated thoroughly using in situ FTIR, NMR diffusometry, and simulation. Monomer diffusion and aggregation barely contributed to the kinetic differences, and the Marcus theory was applied to explain the polymerization kinetic differences which showed promising simulation results. RAFT polymerization readily prepared AB diblock, ABA triblock and (AB)3 3-arm diblock copolymers using the ionic liquid (IL) monomers discussed above and deuterated/hydrogenated styrene. We demonstrated the first example of in situ morphology studies during an actuation process, and counter anions with varied electrostatic interactions showed different mesoscale mechanisms, which accounted for macroscopic actuation. The long chain alkyl spacer between imidazolium groups and polymer backbones decoupled ion dynamics and structural relaxation. For the first time, composition changes of block copolymers achieved tunable viscoelastic properties without altering ion conductivity, which provided an ideal example for actuation materials, solid electrolytes, and ion exchange membranes. / Ph. D. / My research focuses on the synthesis of novel soft materials with a special interest in responsive polymers. The incorporation of responsive chemistry, such as hydrogen bonding and ionic interactions, enables soft materials with complex responsive behavior were achieved. Polymers with ion pairs promise great potential as solid-state electrolytes (which transfer ions to generate current) to eliminate potential fire hazard in batteries, which has been an arising concern for modern cellphone and electric car industry. The introduction of strong dipoles into polymers allows the fabrication of actuators, which convert electric signals to physical movement. Under applied voltage, polymers bend within seconds while holding physical loads. Actuator studies in polymers paves the way towards artificial muscles as well as soft robotics. Temperature responsive hydrogen bonding in polymers offers drastically different viscoelastic properties at different temperature and serves as the key mechanism in holt-melt adhesives, controlled drug release, and high performance materials.
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Poli (l?quidos i?nicos) celul?sicos aplicados como catalisadores heterog?neos para transforma??o qu?mica do CO2 em carbonatos c?clicosRodrigues, Daniela Maffi 27 July 2018 (has links)
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Previous issue date: 2018-07-27 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / Carbon capture and storage (CCS) and carbon capture and utilisation(CCU) technologies has been pointed out as possibilities to mitigate the effects caused by the massiverelease of CO2 into the atmosphere. The use of CO2 in cycloaddition reactions toepoxides obtaining cyclic carbonates is an interesting possibility to reduce CO2emission. Cyclic carbonates are products of great applicability as solvents in the chemical industry and are used as raw material for a wide range of products. Meanwhile, the use of CO2 for a cycloaddition reaction requires a large amount of energy being necessary the use of catalysts in order to optimize such reactions. Poly (ionic liquids) (PIL) are alternative catalysts due its selective, recyclability and conversion. In this work, cellulosic poly(ionic liquids) (CPIL) obtained from rice husk were testedas heterogeneous catalyst. Cellulose extraction was carried out by chemical method. A chemical modification of the cellulose fibers was carried out by the treatment with citric acid and functionalization with 3 mmol of the ionic liquids BMIM Cl, TBAB, TBPB and BMPYRR to form CPIL-BMIM, CPIL-TBA, CPIL-TBP and CPIL-BMPYRR), without addition of solvents. Cyclo addition reactions were carried out with propylene and styrene oxides with different CO2 pressures(25, 30 and 40 bar) and temperatures (90, 110 and 120 ?C) for 6 h. The obtained product was characterized by gas chromatography (GC), Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FTIR)and Nuclear Magnetic Resonance (1H NMR). The results showed better yields for CPIL-TBP and CPIL-TBA, whose values were 53.2% and 39% respectively for propylene carbonate and 67.3% for styrene carbonate using CPIL-TBP. When the ZnBr2 cocatalyst was used, there was an increase in the catalytic activity of these catalysts. For CPIL-TBP the yields were 71.4% for propylene carbonate and 78.7% for styrene carbonate. For CPIL-TBA the increase in propylene carbonate yield was 67.7%. / O uso das tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CCS) e de captura utiliza??o do carbono (CCU) v?m sendo apontadas como possibilidades para mitigar os efeitos causados pela libera??o deliberada de elevadas concentra??es de CO2 na atmosfera. A utiliza??o do CO2 em rea??es de cicloadi??o em ep?xidos para obter carbonatos c?clicos vem se mostrando uma possibilidade interessante para reduzir a emiss?o de CO2 na atmosfera. Os carbonatos c?clicos s?o produtos de grande aplicabilidade como solventes na ind?stria qu?mica e s?o utilizados como mat?ria prima para uma vasta gama de produtos. Entretanto, o CO2 apresenta baixa reatividade tornando-se necess?rio o uso de catalisadores para otimizar tais rea??es. Os poli(l?quidos i?nicos) (PILs) v?m se mostrando como poss?veis catalisadores alternativos, demonstrando-se seletivos, recicl?veis e gerando consider?vel convers?o. Neste trabalho foram testados poli(l?quidos i?nicos) celul?sicos (CPIL), obtidos a partir da casca do arroz, como catalisador heterog?neo. A extra??o da celulose foi realizada por um m?todo qu?mico. A modifica??o qu?mica das fibras de celulose foi realizada a partir do tratamento com ?cido c?trico e a funcionaliza??o desta com 3 mmol dos l?quidos i?nicos BMIM Cl, TBAB, TBPB e BMPYRR formando CPIL-BMIM, CPIL-TBA, CPIL-TBP e CPIL-BMPYRR. As rea??es de cicloadi??o foram realizadas com os ?xidos de propileno e estireno com diferentes press?es de CO2 (15, 25, 30 e 40 bar) e temperaturas (90, 110, 120 e 130?C) durante (3, 6 e 9h), todas as rea??es foram realizadas sem a utiliza??o de solventes. O produto obtido foi caracterizado por cromatografia gasosa (CG) , espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e Resson?ncia Magn?tica Nuclear (1H RMN). Os resultados demonstraram melhores rendimentos para CPIL-TBP e CPIL-TBA, cujos valores foram de 53,2% e 39% respectivamente para o carbonato de propileno e de 67,3% para o carbonato de estireno utilizando o CPIL-TBP. Quando o cocatalisador ZnBr2 foi utilizado, houve um aumento na a atividade catal?tica destes catalisadores, para o CPIL-TBP os rendimentos foram de 71,4 % para o carbonato de propileno e 78,7% para o carbonato de estireno. Para o CPIL-TBA o aumento no rendimento de carbonato de propileno foi de 67,7%.
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Poly (Ionic Liquid) Based Electrolyte for Lithium Battery ApplicationSafa, Meer N 14 May 2018 (has links)
The demand for electric vehicles is increasing rapidly as the world is preparing for a fossil fuel-free future in the automotive field. Lithium battery technologies are the most effective options to replace fossil fuels due to their higher energy densities. However, safety remains a major concern in using lithium as the anode, and the development of non-volatile, non-flammable, high conductivity electrolytes is of great importance. In this dissertation, a gel polymer electrolyte (GPE) consisting of ionic liquid, lithium salt, and a polymer has been developed for their application in lithium batteries. A comparative study between GPE and ionic liquid electrolyte (ILE) containing batteries shows a superior cyclic performance up to 5C rate and a better rate capability for 40 cycles for cells with GPE at room temperature. The improvement is attributed to GPE’s improved stability voltage window against lithium as well as higher lithium transference number. The performance of the GPE in lithium-sulfur battery system using sulfur-CNT cathodes shows superior rate capability for the GPE versus ILE for up to 1C rates. Also, GPE containing batteries had higher capacity retention versus ILE when cycled for 500 cycles vii at C/2 rate. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) studies reveal interfacial impedances for ILE containing batteries grew faster than in GPE batteries. The accumulation of insoluble Li2S2/Li2S on the electrodes decreases the active material thus contributes to capacity fading. SEM imaging of cycled cathodes reveals cracks on the surface of cathode recovered from ILE batteries. On the other hand, the improved electrochemical performance of GPE batteries indicates better and more stable passivation layer formation on the surface of the electrodes. Composite GPE (cGPE) containing micro glass fillers were studied to determine their electrochemical performance in Li batteries. GPE with 1 wt% micro fillers show superior rate capability for up to 7C and also cyclic stability for 300 cycles at C/2 rate. In situ, EIS also reveals a rapid increase in charge transfer resistance in GPE batteries, responsible for lowering the capacity during cycling. Improved ion transport properties due to ion-complex formations in the presence of the micro fillers, is evidenced by improved lithium transference number, ionic conduction, and ion-pair dissociation detected using Raman spectroscopy.
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Reactive Poly(ionic liquid)s (PILs) and Nanostructures from PIL-based Block Copolymers / Polymères Liquides Ioniques (PIL) Réactifs et Nanostructures à Partir de Copolymères à Blocs Composés d’un Bloc PIL / Polímeros Líquidos Iónicos (PILs) Reactivos y Nanoestructuras a Partir de Copolímeros de Bloque Compuesto de un Bloque de PILCoupillaud, Paul 20 November 2014 (has links)
L’objectif de ce travail de thèse a été de développer l’ingénierie des polymères liquides ioniques(PILs) de type imidazolium ainsi qu’une nouvelle famille de copolymères à blocs apparentés.Des PILs type imidazolium ont été utilisés en tant que polymères réactifs pour la catalyse organique etla modification chimique par post-polymérisation. Divers composés (homopolymères, copolymèresstatistiques de type styrénique, polymères réticulés) stables à l'air, portant divers contre-anions (bromures,hydrogénocarbonates, carboxylates), ont été spécialement conçus via des stratégies de synthèserelativement simples. La génération de carbènes N-hétérocycliques supportés sur polymères (poly(NHC)s)a permis de comparer les performances catalytiques de tous ces précurseurs à travers des réactions deréférence de la catalyse organique. Spécifiquement, les copolymères statistiques type styrénique peuventégalement être fonctionnalisés de manière stoechiométrique par post-polymérisation avec différentssubstrats électrophiles (e.g. CS2, isothiocyanate, métaux de transition).Une nouvelle famille de copolymère à blocs contenant un bloc poly(acétate de vinyle) et un bloc detype poly(bromure de N-vinyl-3-alkylimidazolium), a été synthétisé par CMRP. La capacité de cescomposés à s'auto-assembler en diverses mésostructures en masse comme en solution a ensuite étédémontrée. Des mesures de conductivité ionique ont montré l’influence de la préparation des échantillonset des conditions de mesures sur les valeurs obtenues. Le comportement en solution par la réactivité ioniquedu bloc PIL et la modification chimique du bloc hydrophobe poly(acétate de vinyle) en hydrophilepoly(alcool vinylique) ont permis la formation de différentes nanostructures micellaires.Mots clés : Polymères liquides ioniques, Copolymères à blocs, Imidazolium, catalyse organique,Modification post-polymérisation, Auto-assemblage, Conductivité ionique, nanoparticules d’or. / The aim of this PhD work is to expand the scope of engineered imidazolium-based poly(ionicliquid)s (PILs) and their related PIL-block copolymers (PIL BCPs).The use of the imidazolium-based PILs as true reactive polymers for organocatalysis and post-chemicalmodification is first described. Miscellaneous air-stable PIL derivatives featuring various counter-anions(e.g. bromides, hydrogen carbonates, carboxylates), including homopolymers, statistical copolymers ofstyrenic-type and crosslinked copolymer networks have been specifically designed by relatively simplesynthetic strategies. The generation of related polymer-supported N-heterocyclic carbenes, poly(NHC)s,enables comparing the catalytic performances in selected organocatalyzed reactions. Specific polystyrenebasedcoPILs can be also stoichiometrically derivatized by post-chemical modification using variouselectrophilic substrates (e.g. CS2, isothiocyanate, transition metals).A novel family of imidazolium-based PIL BCPs, namely poly(vinyl acetate)-b-poly(N-vinyl-3-alkylimidazolium bromide)s synthesized by CMRP, is then described. The ability of these compounds toself-assemble into various types of mesostructures in bulk or in solution has been demonstrated. Ionicconductivity measurements evidenced the influence of sample preparation and measurement conditions.The behavior in solution evidenced via the ionic responsiveness of the PIL block but also by post-chemicalmodification of the hydrophobic poly(vinyl acetate) block into hydrophilic poly(vinyl alcohol) theformation of various micelle-like nanostructures.Keywords: Poly(ionic liquid)s, Block copolymers, Imidazolium, Organocatalysis, Post-polymerizationmodification, Self-assembly, Ionic conductivity, Gold nanoparticles / El objetivo de esta tesis fue el desarrollo de polímeros de ingeniería iónicoslíquidos (pils) y tipo imidazolio una nueva familia de copolímeros de bloques relacionados.Lager tipo imidazolio fueron utilizados como reactivos para la catálisis orgánica ymodificación química de polímeros después de la polimerización. Varios compuestos(homopolímeros, copolímeros aleatorios de tipo estireno, polímeros reticulados) estable en elaire, contra de la realización diversos aniones (bromuros, bicarbonatos, carboxilatos), hansido especialmente diseñadas utilizando estrategias de síntesis relativamente simple. Se utilizóla generación de carbenos N-heterocíclicos soportado sobre polímeros (poli (NHC) s) paracomparar el rendimiento catalítico de estos precursores de referencia a través de reacciones decatálisis orgánica. Específicamente, los copolímeros de tipo estireno también se puedenfuncionalizar sustratos por polimerización posterior estequiométricamente con diferenteselectrófilos (por ejemplo, metales CS2, isotiocianato, de transición).Una nueva familia de copolímero de bloque que contiene un poli (acetato de vinilo) y unbloque de poli (bromuro de N-vinil-3-alquilimidazolio) se sintetizó en CMRP. La capacidadde estos compuestos a auto-ensamblan en varias mesoestructuras como entonces se demostrósolución en masa. Mediciones de conductividad iónica han demostrado la influencia de lascondiciones de preparación y medición de la muestra en los valores obtenidos. Elcomportamiento en solución por el bloque PIL reactividad de iones, y la modificaciónquímica del bloque hidrófobo de poli (acetato de vinilo) hidrófilo poli (alcohol vinílico)permitió la formación de nanoestructuras diferentes micelares.Palabras clave: polímeros líquidos iónicos, copolímeros de bloque, imidazolio, catálisisorgánica, Cambiar post-polimerización, auto-ensamblaje, conductividad iónica, lasnanopartículas de oro.
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Cellules solaires à colorant tout solide composées d'une électrode de TiO2 à porosité hiérarchisée et d'un électrolyte polyliquides ioniques à matrice polysiloxane / Hierarchical porous TiO2 and ionic liquid-like polysiloxane electrolyte for solid state-Dye-Sensitized Solar CellsBharwal, Anil 11 January 2018 (has links)
DSSC est une technologie photovoltaïque de 3ème génération avec un fort potentiel économiquement et une efficacité importante de conversion des photons en électricité. Le DSSC à l'état solide à base d'électrolyte polymère solide prévient la perte et l'évaporation du solvant pendant la fabrication et le fonctionnement des cellules, ce qui prolongera efficacement la durée de vie de la cellule. Cependant, il souffre d'une faible conductivité ionique et d'une faible infiltration des pores.La présente thèse est dédiée au développement concomitant d'électrolytes polymères à base de polysiloxane d'un côté et de photoanodes TiO2 à porosité controlée de l'autre côté et leur incorporation dans des cellules solaires contrastants à l'état solide (ss-DSSC), dans le but d'améliorer leur efficacité photovoltaïque et la stabilité à long terme. À notre connaissance, les DSSC comprenant des couches de TiO2 bimodales et des électrolytes de polysiloxane n'ont jamais été rapportés.La conductivité ionique et le coefficient de diffusion des tri-iodures des liquides poly (ioniques) (PILs) à base de polysiloxane ont été largement améliorés par addition de liquides ioniques (ILs) ou de carbonate d'éthylène (EC), conduisant à des conductivités ioniques de l'ordre de 10-4 -10-3 Scm-1. Les DSSC fabriqués avec les électrolytes optimisés ont montré des rendements jusqu'à 6%, avec une stabilité à long terme pendant 250 jours.Des films de TiO2 bimodaux à double porosité (méso et macroporosité) ont été fabriqués par revêtement par centrifugation, en utilisant des modèles mous et durs. Les films à double matrice bénéficient d'une taille de pores accrue tout en maintenant une surface spécifique élevée pour l'adsorption de colorant. Les films bimodaux se sont révélés plus efficaces lorsqu'ils ont été testés avec des électrolytes polymères, ayant des efficacités comparables avec l'électrolyte liquide dans les DSSC, malgré une absorption plus faible de colorant.Cette thèse apporte une contribution significative dans le domaine des DSSC en tant que cellules solaires efficaces et stables qui ont été préparés à partir d'électrolytes polymères et de films bimodaux nouvellement synthétisés. / DSSC is a 3rd generation photovoltaic technology with potential to economically harvest and efficiently convert photons to electricity. Full solid state-DSSC based on solid polymer electrolyte prevents the solvent leaking and evaporation during cell fabrication and operation, which will effectively prolong the cell life time. However, it suffers from low ionic conductivity and poor pore infiltration.The present thesis is dedicated to the concomitant development of polysiloxane-based polymer electrolytes on one side, and TiO2 photoanodes with tuned porosity on the other side, and their incorporation in solid state dye sensitised solar cell (ss-DSSCs), with the aim to improve their photovoltaic efficiency and the long term stability. To best of our knowledge, DSSCs comprising bimodal TiO2 layers and polysiloxane electrolytes have never been reported.The ionic conductivity and tri-iodide diffusion coefficient of the polysiloxane-based poly(ionic) liquids (PILs) were largely improved by adding of ionic liquids (ILs) or ethylene carbonate (EC), achieving ionic conductivities of 10−4 -10−3 Scm−1. The DSSCs fabricated with the optimized electrolytes showed efficiencies up to 6%, with long term stability for 250 days.Bimodal TiO2 films with dual porosity (meso- and macro-porosity) were fabricated by spin-coating, by using soft and hard templating. The dual templated films benefit from increased pore size while maintaining high surface area for dye adsorption. Bimodal films were shown to be more efficient when tested with polymer electrolytes, having comparable efficiencies with liquid electrolyte when in DSSCs, despite lower dye uptake.This thesis brings a significant contribution to the field of DSSCs as efficient and stable solar cells were prepared from newly synthesized polymer electrolytes and bimodal films.
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Développement de méthodes accélérées pour la synthèse de polymères et réseaux conducteurs ioniques à base 1,2,3-triazolium / Development of accelerated methods for the synthesis of 1,2,3-triazolium-based ion conducting polymers and networksObadia, Mona 24 June 2016 (has links)
Cette thèse s'intéresse au développement de procédés monotopes (en une seule étape) permettant la synthèse accélérée de polymères conducteurs ioniques.Une étude bibliographique sur les poly(liquides ioniques) à base 1,2,3-triazolium (TPILs) a démontré leurs richesses structurale et fonctionnelle inégalées. Leur synthèse requière cependant plusieurs étapes nécessitant l'emploi de catalyseurs, de solvants et d'agents de polymérisation.Une première partie est consacrée au développement d'une voie de synthèse accélérée permettant d'accéder en une seule étape, sans solvant, ni catalyseur à des TPILs de structures variées. Il est en effet aisément possible de moduler les structures chimiques de l'espaceur, du contre-anion et du substituant en position N-3 du groupe 1,2,3-triazolium à partir d'un large choix de monomères a-azoture-?-alcyne et d'agents alkylants.Une seconde partie est consacrée à l'extension de cette voie de synthèse originale à l'élaboration d'une série de réseaux conducteurs ioniques, démontrant ainsi la souplesse du procédé et l'immense possibilité de variation structurale. Ces réseaux possèdent les propriétés uniques des matériaux vitrimères sur la base d'échanges dynamiques des points de réticulation par des réactions de transalkylation des liaisons C-N sous contrainte et température. Ils peuvent ainsi être remis en forme et recyclés sans pertes majeures de leurs propriétés et constituent donc le premier exemple de vitrimère fonctionnel. L'ensemble de ces matériaux de par leurs propriétés ainsi que leur rapidité et leur facilité de synthèse constituent donc une avancée majeure dans le domaine des polymères conducteurs ioniques et leurs applications / This PhD thesis tackles the development of monotopic (or single step) processes enabling the accelerated synthesis of ion conducting polymer materials. A bibliographic study on 1,2,3-triazolium-based poly(ionic liquid)s (TPILs) have demonstrated their unequaled structural and functional richness. However, their syntheses require several synthetic steps and the use of catalysts, solvents and polymerization mediators.A first part is devoted to the development of an accelerated synthetic approach enabling in a single step to access TPILs with broad structural variety without solvent nor catalyst. Indeed the chemical structure of the spacer, the counter-anion and the N-3 substituent of the 1,2,3-triazolium group can be readily tuned from a broad library of a-azide-?-alkyne monomers and alkylating agents.A second part is devoted to the extension of this original synthetic approach to the formation of a series of ion conducting polymer networks, thus demonstrating the flexibility of the process and the broad capacity in structural design. These networks possess the unique properties of vitrimer materials based on dynamic exchanges of the cross-linking points by transalkylation reactions of C-N bonds under strain and temperature. They can thus be reshaped and recycled without significant loss of their properties, which constitute the first example of functional vitrimer.The properties of these materials, as well as the rapidity, the versatility and the flexibility of their syntheses constitute a major breakthrough in the field of ion conducting polymer materials and their applications
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Nouveaux copolymères et nanostructures dérivés de liquides ioniques à base d'imidazoliums : applications en catalyse et comme additifs conducteurs ioniques / New copolymers and nanostructures derived from imidazolium based ionic liquids : applications in catalysis and as ionic conductor additiveLambert, Romain 05 December 2016 (has links)
Des poly(liquides ioniques) (PILs) arrangés sous la forme de copolymères statistiques,de nanoparticules à chaine unique ou bien sous la forme de copolymères à blocs autoassemblés ont été employés comme précurseurs de carbènes N-hétérocycliques (NHC)s à des fins de catalyses organiques ou organométalliques. L’introduction d’anions acétate dans des unités PIL dérivés d’imidazolium permet la génération in situ de NHCs actifs en catalyse. Les nanoparticules composées d’une chaine unique polymère repliée sur elle-même (SCNP) ont été spécialement conçues selon deux stratégies impliquant, d’une part, une réaction d’autoquaternisation entre groupements fonctionnels antagonistes portés par la chaine et, d’autre part, une réaction de complexation organométallique à l’aide d’un sel de palladium. Dans lesdeux cas, les chaines polymères ont été obtenues par polymérisation contrôlée (méthode RAFT). Les copolymères à blocs amphiphiles comportant un bloc PIL fonctionnalisé par du palladium ont été synthétisés par polymérisation RAFT et auto-assemblés dans l’eau sous forme de micelles.Un effet de confinement des sites catalytiques a clairement été démontré à travers des réactions de catalyse pour les couplages de Suzuki et de Heck dans l’eau, avec un gain cinétique très net par rapport à des homologues non micellisés, en plus d’une grande facilité de recyclage de ces supports micellaires.Enfin, des copolymères à blocs à base de PIL-benzimidazolium à contre anion bis(trifluoromethane)-sulfonylimide de lithium ont été développés comme agents dopants conducteurs ioniques de matrices structurantes PS-b-PEO. Des mélanges configurés en films minces avec une quantité minimale d’agent dopant ont conduit dans certaines conditions à des valeurs optimales de conductivité ionique grâce à une nano structuration des films à longue distance. / Poly(ionic liquid)s (PILs) in the form of random copolymers, single chain nanoparticles(SCNPs), or self assembled block copolymers have been used as N-heterocyclic carbenes(NHCs) precursors for the purpose of organic and organometallic catalysis. Introducing acetate derivative counter anion in imidazolium based PIL units enable in situ generation of catalyticallyactive NHC. SCNPs have been specially designed along two strategies including, firstly, a self quaternization reaction involving two antagonists groups supported on to the polymer chain and,secondly, an organometallic complexation featuring palladium salt. Both polymeric precursors were obtained using RAFT as controlled polymerization method. Amphiphilic block copolymers composed of a PIL block functionalized by palladium have been synthesized by RAFT and self-assembled in water, leading to micellar structures. Confinement effect has been demonstrated through Suzuki and Heck coupling in water showing kinetic gain compared to molecular homologue in addition to an easier recycling method.Finally, PIL-benzimidazolium based block copolymers with lithium bis(trifluoromethane)-sulfonylimide anion have been developed as ionic conductor doping agent for PS-PEO matrix. Thin films blends with minimum doping agent amount led to optimum ionic conductivity owing tolong range order.
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Generation of biohybrid (poly(ionic liquid)/guar)-based materials / Génération de matériaux biohybrides (poly (liquide ionique)/guar)Zhang, Biao 31 May 2016 (has links)
Ce travail de thèse a visé la préparation de matériaux biohybrides à base de poly (liquide ionique)s (PIL) et de polysaccharide, en l’occurrence la gomme de guar. Les chaînes de poly (1- [2-acryloyl éthyl] -3 bromure-méthylimidazolium (poly (AEMIBr)) ont été synthétisées par polymérisation contrôlée de type RAFT. Des homopolymères de DP élevé (jusqu'à 300) et de faible dispersité (inférieur à 1,19) ont été obtenus seulement en quelques heures dans l'eau. Ces PIL ont par ailleurs été utilisés comme macroagents de transfert pour générer différents copolymères à blocs en milieu homogène et en émulsion dans le but d’accéder à des nano objets autoassemblés. En effet, différentes morphologies ont été obtenues en s’appuyant sur lesconcepts de la PISA. De plus, des copolymères greffés de type guar-g-PIL ont finalement été construits en milieu liquide ionique.en utilisant des dérivés de guar macroagents de transfert Les PIL combinent à la fois les propriétés des IL (non-volatile, stabilité thermique et chimique, haute conductivité...) et celles des polymères en termes de renforcement mécanique, c’est pourquoi ils ont été exploités pour élaborer des matériaux biohybrides de haute performance. La stratégie envisagée dans ce travail réside sur l’exploitation de trois composants: (i) les chaînes de poly (AEMIBr), (ii) le guar et (iii) un liquide ionique: le chlorure de butylméthylimidazolium (BMIMCl). La voie expérimentale permettant l’obtention de tels matériaux est très simple et non dégradante puisqu’elle n’implique que des étapes de solubilisation de polymères en milieu IL. Les propriétés rhéologiques et thermiques de ces matériaux ont été évaluées. En outre, la morphologie interne, par des mesures de WAXS et SAXS, ainsi que le transport ionique ont été étudiés. Il en ressort que de multiples interactions synergiques sont formées entre le guar et les chaînes de PIL, en parallèle des interactions de type PIL/IL et guar/IL. Des ionogels possédant un haut module élastique (jusqu'à 30 000 Pa) et une stabilité thermique élevée (jusqu'à 310 °C) ont ainsi été obtenus. En particulier, la présence de PIL a permis d’améliorer de façon considérable la stabilité dimensionnelle des gels, en limitant complétement les phénomènes d’exudation rencontrés dans les systèmes binaires guar/IL. Il s’avère, de plus, que ces matériaux sont parfaitement homogènes à l’échelle d’observation des analyses SAXS et WAXS. Ces gels ioniques présentent d'excellentes propriétés de transport ionique (10-4 S/cm à 30 °C) grâce notamment à leur structuration interne continue. Cette famille des matériaux multicomposants à base de guar, présente un fort potentiel, notamment pour une utilisation en tant que gel électrolyte dans le domaine de l’énergie. / This Ph.D work focuses on the preparation of biohybrid materials based on poly(ionic liquid)s (PIL) and a polysaccharide, guar gum. Poly(1-[2-acryloylethyl]-3-methylimidazolium bromide (poly(AEMIBr)) chains were synthesized through RAFT polymerization. Homopolymers with DP up to 300 and dispersity below 1.19 were obtained within hours in water. High chain-end fidelity further allowed for PIL chain extension with various monomers and stable PIL-based nanoparticles with various morphologies using the PISA concept were achieved. A series of guar-g-PIL graft copolymers were finally constructed in IL using guar macroRAFT agents. As PILs combine the attributes emanating from IL molecules (non-volatile, thermally stable, conducting…) with the ones of polymers in terms of mechanical reinforcement, the resulting polymers were exploited to elaborate high performance biohybrid materials. The cornerstone of this subsequent work was based on the straightforward formation of three-component blends: (i) poly(AEMIBr), (ii) guar and (ii) ionic liquid: butylmethylimidazolium chloride (BMIMCl). The pathway to obtain such ternary blends is very simple, since it only implies successive polymer solubilisation steps in IL. The rheological and thermal properties of the resulting materials were investigated. Also, the internal morphology by WAXS and SAXS measurements as well as the ionic transport were studied. It appeared that strong synergistic hydrogen bonding are developed between guar and PIL chains in addition to PIL/IL and guar/IL interactions. Ionogels with high elastic modulus (up to 30 000 Pa) and high thermal stability (up to 310°C) were prepared. Importantly, addition of PIL significantly enhanced the dimensional stability of the resulting ionogels and overcame IL exudation encountered in IL/guar binary systems. SAXS and WAXS revealed a homogeneous morphology and the ionogels were proven to exhibit excellent conductive properties (10-4 S/cm at 30°C) thanks to their highly continuous morphology. The resulting sustainable multicomponent materials may find applications as gel electrolyte for biobattery systems or supercapacitors.
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