Cette thèse étudie l'amélioration des performances électrochimiques des membranes de polypyrrole (PPy) pour les applications de stockage d'énergie dans les supercondensateurs. Dans la première étude, une membrane souple autonome de PPy a été synthétisée par polymérisation interfaciale, en utilisant l'orange de méthyle (MO) et le chlorure de fer comme nano-template et oxydant. L'incorporation de MO et le traitement ultérieur à l'acide sulfurique ont entraîné une augmentation substantielle de la capacitance spécifique de la membrane, passant de 96 mF/cm² à 880 mF/cm², tandis que la résistivité de transfert de charge diminuait d'environ 17 Ω à 3 Ω. Diverses techniques analytiques, notamment la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et la voltampérométrie cyclique (CV), ont été utilisées pour évaluer les propriétés des membranes. Il a été révélé que la présence de MO et le traitement acide facilitaient le processus de transfert de charge, améliorant finalement les performances de stockage de charge de la membrane PPy. Dans la deuxième étude, l'efficacité de différents dopants, notamment le sulfonate de polystyrène (PSS), les anions chlore, le docusate de sodium (AOT) et l'acide camphorsulfonique (CSA), pour le dopage d'une membrane PPy sans métal lors de la polymérisation chimique, a été étudiée. Les membranes résultantes présentaient des capacitances spécifiques distinctes de 19179, 13264, 7238 et 4458 mF/cm² pour les membranes dopées à AOT, CSA, Cl- et PSS, respectivement. La rétention de capacité après 1000 cycles variait de 61% à 83%, selon le dopant utilisé. De plus, la membrane PPy-AOT a affiché des densités d'énergie et de puissance exceptionnelles, attribuées à sa structure nanofibreuse unique facilitée par l'AOT en tant qu'agent tensioactif. L'étude suggère que la membrane PPy-AOT est un candidat prometteur pour la construction d'électrodes dans le pseudo supercondensateurs en raison de sa capacitance spécifique élevée et de sa facilité de préparation. Enfin, la recherche étudie la pseudocapacitance de la membrane PPy-AOT et son utilisation en tant qu'électrodes dans un supercondensateur flexible. L'utilisation d'un électrolyte en gel comprenant 3% d'alcool polyvinylique dissous dans de l'acide sulfurique 1M (PVA-H₂SO₄) a encore amélioré les performances du dispositif. Le supercondensateur fabriqué a montré une capacité spécifique importante de 4817.9 mF/cm², une densité d'énergie de 0.4 mWh/cm² ou 76.4 Wh/kg et une densité de puissance de 0.6 mW/cm² ou 914.3 W/kg, ainsi qu'une excellente stabilité de cycle et une rétention de capacité de 96% après 1000 cycles. La caractérisation électrochimique et analytique complète, comprenant la voltampérométrie cyclique (CV), la spectroscopie électrochimique d'impédance (IES) et diverses analyses structurales, a validé la stabilité électrique exceptionnelle et la capacité spécifique fiable de la membrane PPy-AOT dans une zone restreinte de 0.785 cm². Ces résultats soulignent collectivement le potentiel des membranes à base de PPy pour des applications de supercondensateurs flexibles haute performance. / This thesis investigates the enhancement of the electrochemical performance of polypyrrole (PPy) membranes for energy storage applications in supercapacitors. In the first study, a free-standing soft PPy membrane was synthesized through interfacial polymerization, utilizing methyl orange (MO) and ferric chloride as the nano-template and oxidant. The incorporation of MO and the subsequent treatment with sulfuric acid led to a substantial increase in the specific capacitance of the membrane, improving from 96 mF/cm² to 880 mF/cm², while the charge transfer resistivity decreased from approximately 17 Ω to 3 Ω. Various analytical techniques, including scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and cyclic voltammetry (CV), were employed to evaluate the properties of the membranes. It was revealed that the presence of MO and the acid treatment facilitated the charge transfer process, ultimately enhancing the charge storage performance of the PPy membrane. In the second investigation, the efficacy of different dopants, including polystyrene sulfonate (PSS), chlorine anions, docusate sodium (AOT), and camphor sulfonic acid (CSA), in doping a metal-free PPy membrane during chemical polymerization was studied. The resulting membranes exhibited distinct specific capacitances of 19179, 13264, 7238, and 4458 mF/cm² for the AOT, CSA, Cl-, and PSS doped membranes, respectively. The capacity retention after 1000 cycles ranged from 61% to 83%, depending on the dopant used. Moreover, the PPy-AOT membrane displayed exceptional energy and power densities, attributed to its unique nano-fibrous structure facilitated by AOT as a surfactant. The study suggests that the PPy-AOT membrane is a promising candidate for constructing electrodes in pseudosupercapacitors due to its high specific capacitance and ease of preparation. Lastly, the research investigates the pseudocapacitance of the PPy-AOT membrane utilized as electrodes in a flexible supercapacitor. The use of a gel electrolyte comprising 3% polyvinyl alcohol (PVA) dissolved in 1M sulfuric acid (PVA-H₂SO₄) further enhanced the device performance. The fabricated supercapacitor demonstrated a significant areal-specific capacitance of 4817.9 mF/cm², energy density of 0.4 mWh/cm² or 76.4 Wh/Kg, and power density of 0.6 mW/cm² or 914.3 W/Kg along with the excellent cycle stability and capacity retention of 96% after 1000 cycles. The comprehensive electrochemical and analytical characterization, including cyclic voltammetry (CV), impedance electrochemical spectroscopy (IES), and various structural analyses, validated the exceptional electrical stability and reliable specific capacitance of the PPy-AOT membrane. These findings collectively underscore the potential of the PPy-based membranes for high-performance flexible supercapacitor applications.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/145004 |
| Date | 07 June 2024 |
| Creators | Roohi, Zahra |
| Contributors | Zhang, Ze, Mighri, Frej |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (XVI, 169 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
Page generated in 0.0029 seconds