Synthèse d'un copolymère ionique électrochimiquement actif à base de ferrocène-imidazolium et son utilisation possible en matériaux composites

Abstract

Depuis des années, l’intérêt pour la recherche dans le domaine du stockage d’énergie est orienté vers la découverte et le développement de nouveaux matériaux capables d’accumuler une grande énergie spécifique tout en permettant de fournir une puissance spécifique adéquate dépendamment de l’application visée. Une manière de parvenir à augmenter l’énergie spécifique, sur laquelle se basent les travaux de recherche présentés dans ce mémoire, est d’exploiter le mécanisme de stockage pseudocapacitif qui contribue à la capacitance spécifique totale. La pseudocapacitance est d’origine faradique et provient de réactions d’échange d’électrons pour des espèces électroactives confinées à la surface d’une électrode. Certains matériaux tels que les oxydes métalliques de ruthénium (RuO2) et de titane (TiO2) ont été étudiés pour profiter de ce mode de stockage. Dans un autre plan, il est aussi possible d’introduire des composés électroactifs sur une électrode afin de produire de la pseudocapacitance. Cette stratégie a été adoptée dans ce travail de recherche en modifiant la surface du graphite exfolié électrochimiquement avec un copolymère de nature ionique ayant des unités de répétion ferrocène. Le copolymère utilisé est le poly(chlorure de N-vinyl-N’-(méthylferrocényl)imidazolium-co-N-vinylimidazole) ou plus simplement PVFI-Cl. Il a été préparé par voie radicalaire et la pureté ainsi que la structure chimique ont été vérifiées par spectroscopie RMN, IR. La votampérométrie cyclique a permis d’étudier l’électroactivité du copolymère et la constante de transfert de charge k0 = 3.8 x 10-4 cm.s-1 a pu être déterminée. Curieusement, celle-ci est 10 fois supérieure à celle qui est connu pour le PVF qui est de PVF (3.8±0.5) x 10-4 cm.s-1. D’autre part, le matériau composite EC-G : PVFI-Cl a été obtenu par incorporation du PVFI-Cl dans le graphite exfolié électrochimiquement et ce composite a été étudié pour sa morphologie et ses propriétés pseudocapacitives. De plus, l’intégrité du PVFI-Cl a été étudiée après son incorporation dans le matériau composite et il a été montré que ce dernier n’a pas subi de modification structurale ni électronique. Mots Many years of research in the field of energy storage have led scientists to develop new materials capable of storing more specific energy, while providing high specific power. Among known devices, supercapacitors are viable alternatives to batteries, providing their specific energy can be increased. One way of increasing the supercapacitors’ energy densities is to exploit a pseudocapacitive charge storage mechanism that contributes to specific capacitance. Pseudocapacitance originates from the faradic electron exchange that is confined at the electrode surfaces. Selected materials such as ruthenium oxide (RuO2) and titanium oxide (TiO2) were investigated for their pseudocapacitive properties. It is also possible to modify an electrode surface with an electroactive compound to induce pseudocapacitance. This strategy was adopted in this research project by modifying electrochemically exfoliated graphite with an ionic redox-active polymer, consisting of ferrocene repeating units, named poly(N-vinyl-N’-(methylferrocenyl)imidazolium chloride-co-N-vinylimidazole) (PVFI-Cl) or simply, PVFI-Cl. The polymer was prepared by free radical polymerization. The structure and purity were verified by NMR, XPS and IR spectroscopies. The electrochemical results confirmed that the PVFI-Cl was electroactive. Furthermore, the PVFI-Cl was incorporated into the exfoliated graphite yielding the composite material PVFI-Cl:ec-graphite, whose morphological and pseudocapacitive properties were studied. PVFI-Cl’s integrity was also assessed by various methods that showed no significant structural and electronic modification occurred after the polymer was incorporated in the composite material. Moreover, it was possible to determine that standard exchange rate constant of k0 = 3.8 x 10-4 cm∙s-1 for PVFI-Cl which is ten times higher than that of PVF (3.8±0.5) x 10-4 cm∙s-1. Keywords: