WO2018115208A1 - Procédé de dopage de graphène oxydé par l'azote et le phosphore pour l'obtention d'un matériau d'électrode de supercondensateur - Google Patents

Procédé de dopage de graphène oxydé par l'azote et le phosphore pour l'obtention d'un matériau d'électrode de supercondensateur Download PDF

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nitrogen
phosphorus
oxygen
sheet
supercapacitor
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Application number
PCT/EP2017/083958
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Philippe Stevens
Gwenaelle Toussaint
Aurélien-Louis HABRIOUX
Clément-Aimé COMMINGES
Ismaël ABIDAT
Têko-Wilhelmin NAPPORN
Original Assignee
Universite De Poitiers
Electricite De France
Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs -
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    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Definitions

  • the invention relates to the field of energy storage in the form of an accumulation of ions at an interface between an electrode and an electrolyte in a supercapacitor. More particularly, the invention relates to a method of manufacturing such an interface, the interface being able to constitute a charge accumulation layer in the charged supercapacitor. The invention also relates to the structure obtained by this method.
  • the storage of electrical energy can be done in different ways. In particular, it is possible to store electrical energy in chemical form in batteries. The electrical energy of a battery can be restored for a period greater than 30 minutes, with power densities typically less than 1000 W / kg.
  • the batteries are electrical energy storage devices adapted for a moderate power recovery staggered over time. The life of these devices is also limited to about a thousand charge and discharge cycles.
  • Electrostatic capacitors thus constitute local sources of high power density, generally greater than 10,000 W / kg, but which can only be restored for a short period of time typically between 1 ms and 1 s. Unlike batteries, electrostatic capacitors can have a significant life span greater than 1 million charge and discharge cycles. Electrostatic capacitors are based on an accumulation of charges in the vicinity of the reinforcements (called electrodes), separated by a dielectric insulator preferably having a high dielectric permittivity.
  • Electrostatic capacitors are usually used to stabilize a power supply. Other devices are provided to provide a punctual power supply of intermediate duration between 1 s and 5 minutes typically.
  • Supercapacitors also called electrolytic capacitors, are as such devices capable of storing electrical energy and to restore it with power densities typically between 500 W / kg and 10,000 W / kg.
  • a supercapacitor consists of two electrodes separated by an electrolyte. When charged, ions accumulate at the interface between electrodes and electrolyte to form a "double layer".
  • Supercapacitors may furthermore have a hybrid structure enabling them to store electrical energy both in the form of ion accumulation and charge accumulation by faradic reaction, as for example in asymmetric supercapacitors which have an electrode positive capacitance typically three times greater than the capacity of the negative electrode.
  • supercapacitors are able to provide a high power density for a few seconds, they can be used in combination with a battery to occasionally respond to a strong demand for power in a circuit.
  • electrolyte used in a supercapacitor makes it possible to adjust certain electrical properties of these devices.
  • electrolytes into three groups: aqueous electrolytes, organic electrolytes and ionic liquid electrolytes.
  • Aqueous electrolytes are safe and clean and have a satisfactory conductivity of about 0.8 S / cm. However, they can only be used in a range of restricted potentials not exceeding 1 V.
  • Organic electrolytes often use a toxic and flammable solvent, and have a conductivity about 50 times smaller than aqueous electrolytes. However, they can be used in a wider range of potentials up to 2.7 V.
  • Ionic liquid electrolytes are safer, but also expensive to produce. Although they offer the widest range of operating potentials (up to 4 V), they offer low conductivity of about 0.001 S / cm.
  • the electrical properties of a supercapacitor depend on the capacity of the interfaces between the electrodes and the electrolyte to store ions to form a double layer. This storage capacity depends in particular on the surface A of the interface.
  • d denotes the approach distance (typically equal to a few angstroms)
  • ⁇ ⁇ ⁇ denote respectively the dielectric permittivity of the vacuum and the electrolyte.
  • the surface of the electrolyte electrode interface represents an adjustable parameter for increasing the capacity of a supercapacitor and making it more efficient.
  • Graphene is a carbon-based material with an extended two-dimensional surface that can reach a theoretical value of 2620 m 2 / g.
  • the use of graphene as an interface between an electrode and an electrolyte in a supercapacitor has advantages: graphene does not rely on the storage of ions in pores liable to vary in size, the graphene atomic thickness makes it possible to ion and charge over very short distances with great efficiency, graphene is a good electrical conductor and is chemically stable in the electrolytes of supercapacitors.
  • the graphene sheets tend to stack on top of one another and to be superimposed so that they can only be used on one side facing the electrolyte. Van der Waals forces the graphene sheets together and blocks access to the ions to the sandwiched sheets.
  • the present invention proposes a method of manufacturing a structure intended to form an interface between an electrode and an electrolyte of a supercapacitor, said structure comprising at least one sheet of oxidized graphene doped with nitrogen and comprising groups based on phosphorus and oxygen, said process comprising:
  • This method makes it possible to produce at least one functionalized graphene sheet so that the Van der Waals forces between sheets are reduced, making it possible to increase the graphene surface that can be used to receive ions in a supercapacitor.
  • the proposed method is simple to carry out because it uses a graphene oxide in an aqueous suspension to replace certain carbonaceous sites with nitrogen with a controlled chemical environment obtained by the implementation of the method of the invention. Indeed, by heating an aqueous suspension comprising a compound based on nitrogen and graphene oxide, the invention makes it possible to obtain a doping having a distribution between graphitic, pyrrolic and pyrinidic sites adapted to a reduction of the forces of Van der Waals in between sheets.
  • the subsequent addition of phosphorus and oxygen-based groups to this nitrogen-doped graphene oxide further reduces the risk of stacking graphene sheets on top of each other, and further contributes to providing greater stability of the sheet within the supercapacitor.
  • the groups based on phosphorus and oxygen can be bonded to graphene by carbon-oxygen covalent bonds which are more resistant than the carbon-metal bonds in the case of the use of metal functional groups. Due to the absence of metal compounds among the heteroatoms added to the sheet, the structure produced maintains its mechanical integrity longer in a supercapacitor, which contributes to increasing the number of charge / discharge cycles that can be envisaged for the supercapacitor comprising this structure.
  • the method of the present invention thus makes it possible to obtain a structure intended to form an interface between an electrode and an electrolyte of a supercapacitor having a Cdi capacitance of approximately 400 F / g.
  • the manufacturing method is simple to implement, and provides a structure increasing the number of charge / discharge cycles of a supercapacitor.
  • the structure comprising sheets of oxidized nitrogen-doped graphene and comprising groups based on phosphorus and oxygen may be deposited on a supercapacitor electrode to form a double-layer.
  • This deposit may for example be achieved by mixing one or more graphene sheets with an ink which is poured onto the outer surface of an electrode of a supercapacitor, for example a carbon electrode.
  • the nitrogen-based compound may be selected from urea, melanin and ammonia.
  • These compounds have the advantage of being simple and small compounds, which can react easily in solution under the effect of heat to release nitrogen which substitutes for carbon atoms in graphene oxide.
  • these compounds make it possible to obtain a distribution in pyrrolic and pyrinidic graphitic sites for the nitrogen atoms, typically satisfying the following proportions: between 15% and 25% of graphitic sites, between 45% and 55% of pyrrolic sites and between 25% and 35% of pyridine sites in a graphene oxide sheet. These proportions are suitable for reducing Van der Waals forces without altering the electrical properties and solution stability of the sheet.
  • the aqueous suspension may comprise a concentration of nitrogen compound 20 to 50 times greater than a concentration of graphene oxide.
  • the concentration of graphene oxide may be between 0.5 mg / ml and 5 mg / ml in the aqueous solution, and that the solid compound concentration is between 0.5 mg / ml and 5 mg / ml. mg / mL in the acid solution.
  • the aqueous suspension may be heated at a temperature between 100 ° C and 200 ° C for a period of between 2 hours and 10 hours.
  • the acid suspension may be heated at a temperature between 50 ° C and 200 ° C for a period of between 12 hours and 48 hours.
  • the method may further comprise:
  • the invention also relates to a structure forming an interface between an electrode and an electrolyte of a supercapacitor, obtained by implementing the method described above, the structure comprising at least one oxidized graphene sheet, said sheet being doped with nitrogen heteroatoms and further comprising phosphorus and oxygen-based groups.
  • the structure can be arranged on an electrode of the supercapacitor.
  • the nitrogen represents a proportion of less than 10 atomic% in the sheet, while the groups based on phosphorus and oxygen represent a proportion of less than 5 atomic% in the sheet. These proportions make it possible to retain good electrical properties in a graphene sheet, not to reduce the area A available to accommodate ions in a supercapacitor, and lead to an effective reduction of the stack of sheets on each other.
  • the nitrogen can occupy graphitic, pyrrolic and pyrinidic sites in the leaflet in the following proportions: between 15% and 25% of graphitic sites, between 45% and 55% of pyrrolic sites and between 25% and 35% pyrinidic sites.
  • the groups based on phosphorus and oxygen comprise phosphates bonded to the sheet by a carbon-oxygen or phosphorus-oxygen bond.
  • the phosphorus and oxygen-based groups comprise phosphorus heteroatoms bonded to the sheet by at least one phosphorus-oxygen bond with an oxygen atom of graphene oxide.
  • the use of the oxygen atoms present in the sheet makes it possible to avoid the agglomeration of the phosphorus-based groups on the edges of the sheet.
  • the invention also relates to a supercapacitor comprising a structure as described above.
  • FIG. 1 is a flow chart showing seven steps of the method of manufacturing a structure for forming an interface between an electrode and an electrolyte of a supercapacitor;
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of a graphene sheet doped with nitrogen, integrated in the following sheet so as to occupy different sites in the sheet comprising graphitic, pyrrolic and pyrinidic sites;
  • FIG. 3 is a schematic representation of a graphene oxide sheet identifying different possible configurations for binding oxygen to the carbon of the sheet;
  • FIG. 4 is a schematic representation of a supercapacitor.
  • the dimensions of the various elements shown in these figures are not necessarily in proportion to their actual dimensions.
  • identical references correspond to identical elements.
  • the present invention provides a method of synthesizing a structure comprising at least one graphene sheet functionalized so that the structure can be used as an interface between an electrode and an electrolyte of an electrolyte capacitor, also called supercapacitor.
  • the structure based on graphene slip obtained by the process of the invention makes it possible to confer a capacity of up to 400 F / g on a supercapacitor equipped with such a structure.
  • the process of the invention involves simple steps, using a graphene oxide (obtained according to known and well-controlled methods), to add a proportion of nitrogen heteroatoms and phosphorus-based groups. 'oxygen.
  • the nitrogen doping of the process allows a proportion of nitrogen atoms of less than 10 atomic% to be distributed in the sheet, and serves to reduce the Van der Waals forces which usually retain stacked sheets of graphene. on others.
  • Nitrogen doping by means of the method of the present invention, limits this stack and confers a larger graphene surface accessible to the electrolyte ions of the supercapacitor forming a double layer from the structure of the invention. .
  • phosphorus and oxygen-based groups also favors the reduction of these Van der Waals forces, and also makes it possible to increase the stability of the structure within a cycling supercapacitor (alternating phases of charge and discharge of the supercapacitor). This property is conferred in particular by the absence of metals forming carbon-metal bonds that are less resistant than the phosphorus-oxygen bonds obtained by the synthesis method of the present invention.
  • Fig. 1 is a flowchart summarizing certain steps of the method of the present invention.
  • an aqueous suspension 1 is prepared.
  • This suspension typically comprises water and a graphene oxide 10. It is preferred to use a concentration of graphene oxide of between 0.5 mg / L and 5 mg / L in the aqueous suspension 1.
  • Graphene oxide can typically be obtained by a known method such as the "Hummer method”, as described for example in the document Hummers, William S .; Offeman, Richard E. (March 20, 1958). "Preparation of Graphitic Oxide", Journal of the American Chemical Society. 80 (6): 1339.
  • This method provides a graphite oxide which can then be exfoliated in an ultrasonic bath to prepare the graphene oxide used in step S1.
  • FIG. 3 schematically shows a graphene oxide sheet 10 comprising carbon atoms 12, oxygen atoms 11 and hydrogen atoms 13.
  • Oxygen can typically form three different chemical bonds in graphene.
  • a first type of bond 101 consists of forming an epoxide group.
  • a second Linkage type 102 consists of forming a hydroxyl group.
  • a third type of bond consists in forming a carboxyl group.
  • a nitrogen-based compound 2 is added to the aqueous suspension 1.
  • This compound may, for example, be chosen from urea, melanine or ammonia. Other simple compounds whose size does not exceed that of inorganic compounds commonly used in chemistry are preferred. Thus, organic nitrogen compounds and especially polymerized compounds are not preferred in the process of the invention.
  • the nitrogen-based compound 2 has a concentration in the aqueous suspension 1 typically 20 to 50 times greater than the concentration of graphene oxide. Thus typical concentrations may be between 10 mg / mL and 50 mg / mL.
  • step S3 which follows, the aqueous suspension 1 is heated, at temperatures typically between 100 ° C and 200 ° C for a period of between 2 hours and 10 hours. This step allows the nitrogen of the nitrogen-based compound 2 to be integrated in the graphene oxide 10.
  • the aqueous suspension 10 is then filtered in a step S4 in order to obtain a solid compound comprising at least one sheet of graphene oxide doped with nitrogen 21.
  • the process of the present invention naturally leads to the formation of a solid compound in which nitrogen occupies up to 10 atomic% of the leaflet, and occupies different sites in the leaflet.
  • the nitrogen 21 occupies between 15% and 25% of graphitic sites, between 45% and 55% of pyrrolic sites and between 25% and 35% of pyrinidic sites. in the solid compound 20.
  • the nitrogen doping 21 may lead to a distribution of nitrogen either on the edges of the graphene oxide sheet, or in replacement of carbon atoms in the sheet himself.
  • the structure of the solid compound described above can, for example, be observed and observed experimentally by X-ray diffraction or X-ray photoelectron measurements, supplemented by transmission electron microscopy measurements well known to humans. job.
  • FIG. 2 schematically represents a two-dimensional plan of graphene 200 doped with nitrogen.
  • This figure illustrates an example of a graphitic site 201, an example of a pyrrolic site 202 and an example of a pyridine site 203.
  • the so-called "pyrinidic" sites are sites in accordance with the representation of FIG. graphene nitrogen can also give rise to the appearance of quaternary sites and oxides of nitrogen, although these configurations are not the majority in the solid compound obtained by the process of the present invention.
  • step S5 The process is continued in step S5 with the preparation of an acid suspension 3 in which a certain amount of solid compound is added in phosphoric acid 4.
  • concentration of the solid compound 20 in the acid suspension 3 is typically between 0.5 mg / mL and 5 mg / mL.
  • the acid suspension 3 is then heated in a step S6.
  • This step can typically be carried out at temperatures between 50 ° C and 200 ° C for a period of between 12 hours and 48 hours.
  • This step makes it possible to incorporate in the solid compound 20 groups 31 based on phosphorus and oxygen. These groups are formed either at the edge of the leaflet or directly on the leaflet.
  • the incorporation of these groups is effected in such a way by the method used that the phosphate atoms do not create chemical bonds directly with the carbon atoms 12 of the solid compound 20, but with the oxygen atoms
  • the phosphate atoms do not create chemical bonds directly with the carbon atoms 12 of the solid compound 20, but with the oxygen atoms
  • a phosphorus-based group such as phosphate creates a covalent bond via an oxygen atom of the phosphate with a carbon atom 12 of the solid compound.
  • a filtering of the acid suspension 3 is carried out during a step S7 to obtain a structure 30 comprising at least one sheet of graphene oxide doped with nitrogen 21 and comprising Phosphorus and oxygen base 31.
  • the phosphorus and oxygen based groups obtained at the end of step S7 typically occupy less than 5 atomic% of the structure 30. This low proportion of phosphorus-based groups and oxygen keeps the electrical conduction properties of the structure without degrading them. In addition, it is possible to add other functional groups to the structure 30.
  • metal atoms of cobalt or ruthenium For example, it is possible to doping metal atoms of cobalt or ruthenium.
  • the presence of metals implies the formation of less resistant chemical bonds with the structure 30, but makes it possible to increase the capacity of a supercapacitor equipped with such a structure by adding a term of extra faradic capacity.
  • step S7 of the process can then be deposited in the form of a layer on an electrode of a supercapacitor.
  • FIG. 4 diagrammatically represents a circuit comprising a direct current source 5, a resistor 6 and a supercapacitor 40.
  • This supercapacitor 40 comprises two electrodes 41, 42 separated by an electrolyte 43.
  • An interface 44 between an electrode 41, 42, and electrolyte 43 may benefit from the structure 30 obtained by the method described above.
  • FIG. 4 shows a supercapacitor in operation, in which the interface 44 exists as a "double layer" comprising an accumulation of ions on the interface 44.
  • the structure 30 may in particular be deposited on an electrode via an ink.
  • Such an ink spread on the surface of an electrode makes it possible to deposit several sheets on the electrode.
  • the electrical performance of the supercapacitor 40 are improved.
  • a graphite oxide is synthesized by the method of Hummer, as indicated in the referenced above.
  • 3 g of a commercial graphite powder are dispersed in a concentrated sulfuric acid solution (69 ml, 96%) with magnetic stirring for about 10 minutes.
  • 1.5 g of sodium nitrate are added to the suspension.
  • the mixture is stirred mechanically for about 10 minutes. This entire process is performed at 20 ° C.
  • the suspension is then cooled using an ice bath.
  • 9 g of potassium permanganate are then added to the suspension which is still kept under magnetic stirring.
  • the whole mixture is then heated to a temperature of 35 ° C. about 30 minutes using an oil bath. About 138 mL of pure water is added to the mixture.
  • the temperature of the oil bath is then raised to 98 ° C for about 15 minutes.
  • the mixture is then cooled with an ice bath.
  • 420 ml of water and then 5 ml of hydrogen peroxide are then added to the reaction mixture.
  • the entire suspension is kept under magnetic stirring for about 30 minutes.
  • the material thus obtained then undergoes a recovery and washing protocol.
  • the entire suspension is centrifuged at 7000 rpm for about 15 minutes. Following a mechanical separation step the supernatant is removed. The remaining gel is resuspended in a solution of hydrochloric acid.
  • the suspension is again centrifuged at 7000 rpm for about 15 minutes. This washing / separation operation is repeated twice. The same washing operation is repeated 5 times, replacing the hydrochloric acid with pure water.
  • the solid is dried in an oven (at about 40 ° C) for about 48 hours. The powder is then ground manually in a mortar.
  • the material thus obtained is first exfoliated by ultrasound applications to obtain a graphene oxide.
  • An aqueous suspension containing a concentration of 1 mg / ml of the solid obtained above is first of all made with pure water. The suspension is placed in an ultrasonic bath (800 W) for about 1 hour.
  • the nitrogen doping is made from graphene oxide.
  • urea is added at a concentration of 30 mg / ml.
  • the suspension is stirred with a magnet bar for about 30 minutes at a temperature of 20 ° C.
  • the suspension obtained is placed in a steel autoclave equipped with a Teflon® reservoir. The filling rate is 80%.
  • the autoclave is placed under static conditions in an oven previously heated to 170 ° C for 6 hours. At the end of the synthesis the temperature of the oven goes down to room temperature without applying a temperature ramp.
  • the suspension is then filtered on a millipore filter having a pore size of about 0.45 microns.
  • the solid compound thus obtained is then filtered 4 times in the presence of pure water.
  • the solid is then recovered and then dried in an oven at 40 ° C for about 12 hours.
  • the solid compound thus obtained undergoes a second doping step in order to include in the solid phosphorus species.
  • a suspension at the concentration of 1 mg / ml is prepared using the solid compound.
  • the suspension is carried out using acid ortho.
  • the suspension is then placed in an ultrasonic bath (800 W) for about 1 hour.
  • Once the suspension is stable, it is placed under reflux in an oil bath heated to a temperature of 120 ° C.
  • the treatment time may be between 12 and 48 hours, and preferably lasts about 24 hours.
  • the material is then recovered by centrifugation at 7000 rpm for about 15 minutes.
  • the supernatant is then removed.
  • the resulting structure is then washed with pure water by filtration. This last step is repeated 5 times.
  • the structure obtained is then dried under study for about 12 hours at a temperature of 40 ° C., taking care not to exceed a temperature of 80 ° C.

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une structure (30) destinée à former une interface (44) entre une électrode (41, 42) et un électrolyte ( 43) d'un supercondensateur (40), comprenant au moins un feuillet de graphène oxydé dopé à l'azote et des groupements (31) à base de phosphore et d'oxygène. D'abord, une suspension aqueuse (1) d'un oxyde de graphène est préparée dans de l'eau, à laquelle un composé à base d'azote (2) est ajouté. La suspension aqueuse est chauffée, puis filtrée afin d'obtenir un composé solide (20) comprenant du graphène oxydé dopé à l'azote. Une suspension acide (3) comprenant le composé solide et un acide phosphorique (4) est ensuite préparée, puis chauffée et filtrée afin d'obtenir une structure comprenant au moins un feuillet de graphène oxydé dopé à l'azote et comprenant des groupements à base de phosphore et d'oxygène.

Description

PROCÉDÉ DE DOPAGE DE GRAPHÈNE OXYDÉ PAR L'AZOTE ET LE PHOSPHORE POUR L'OBTENTION D'UN MATÉRIAU D'ÉLECTRODE DE SUPERCONDENSATEUR
DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte au domaine du stockage d'énergie sous forme d'une accumulation d'ions à une interface entre une électrode et un électrolyte dans un supercondensateur. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une telle interface, l'interface pouvant constituer une couche d'accumulation de charges dans le supercondensateur chargé. L'invention se rapporte également à la structure obtenue par ce procédé.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Le stockage d'énergie électrique peut se faire de différentes manières. Il est notamment possible de stocker l'énergie électrique sous forme chimique dans des batteries. L'énergie électrique d'une batterie peut être restituée pendant une durée supérieure à 30 minutes, avec des densités de puissance typiquement inférieures à 1000 W/kg. Les batteries sont des dispositifs de stockage d'énergie électrique adaptés pour une restitution de puissance modérée échelonnée dans le temps. La durée de vie de ces dispositifs est également limitée à environ un millier de cycles de charge et de décharge.
Bien que les batteries constituent un élément central pour fournir de l'énergie électrique dans un circuit, elles ne peuvent répondre à certains besoin ponctuels en puissance élevée. Généralement, il est possible de compenser ce déficit en puissance en ajoutant, dans un circuit, des composants capables de stocker localement une faible quantité d'énergie électrique et de la restituer en un court lapse de temps. Les condensateurs électrostatiques constituent à ce titre des sources locales de forte densité de puissance, généralement supérieures à 10 000 W/kg, mais qui ne peut être restituée que pendant un lapse de temps bref typiquement compris entre 1 ms et 1 s. Contrairement aux batteries, les condensateurs électrostatiques peuvent avoir une durée de vie importante supérieure à 1 million de cycles de charge et décharge. Les condensateurs électrostatiques reposent sur une accumulation de charges au voisinage des armatures (appelées électrodes), séparées par un isolant diélectrique présentant de préférence une haute permittivité diélectrique. Les condensateurs électrostatiques servent généralement à stabiliser une alimentation électrique. D'autres dispositifs sont prévus pour fournir un apport de puissance ponctuel de durée intermédiaire comprise entre 1 s et 5 mn typiquement. Les supercondensateurs, aussi appelé condensateurs électrolytiques, constituent à ce titre des dispositifs capables de stocker de l'énergie électrique et de la restituer avec des densités de puissance typiquement comprises entre 500 W/kg et 10 000 W/kg. Un supercondensateur se compose de deux électrodes séparées par un électrolyte. Lorsqu'il est chargé, des ions s'accumulent à l'interface entre les électrodes et électrolyte pour former une « double couche ». Les supercondensateurs peuvent en outre avoir une structure hybride leur permettant de stocker de l'énergie électrique à la fois sous forme d'accumulation d'ion et d'accumulation de charge par réaction faradique, comme par exemple dans les supercondensateurs asymétriques qui présentent une électrode positive de capacité typiquement trois fois plus grande que la capacité de l'électrode négative.
Les supercondensateurs étant capables d'apporter ponctuellement une forte densité de puissance pendant quelques secondes, ils peuvent être utilisés en combinaison avec une batterie pour répondre occasionnellement à une forte de demande de puissance dans un circuit.
Le choix de électrolyte utilisé dans un supercondensateur permet d'ajuster certaines propriétés électriques de ces dispositifs. Notamment, il est possible de classer les électrolytes en trois groupes : les électrolytes aqueux, les électrolytes organiques et les électrolytes à liquide ionique.
Les électrolytes aqueux sont sûrs et propres et offrent une conductivité satisfaisante d'environ, 0,8 S/cm. Toutefois, ils ne sont utilisables que dans une gamme de potentiels restreinte ne dépassant pas 1 V.
Les électrolytes organiques emploient souvent un solvant toxique et inflammable, et possèdent une conductivité environ 50 fois plus petite que les électrolytes aqueux. Toutefois, ils peuvent être utilisés dans une gamme de potentiels plus étendue pouvant atteindre 2,7 V.
Les électrolytes à liquide ionique sont plus sûrs, mais également chers à produire. Bien qu'ils offrent la plus large gamme de potentiels de fonctionnement (pouvant atteindre 4 V), ils offrent une faible conductivité, d'environ 0,001 S/cm. Outre le choix de l'électrolyte, les propriétés électriques d'un supercondensateur dépendent de la capacité des interfaces entre les électrodes et l'électrolyte à stocker des ions pour former une double couche. Cette capacité de stockage dépend notamment de la surface A de l'interface. En outre, la capacité C& de double couche peut s'exprimer sous la forme : Cdi=(808rA)/d
Où d désigne la distance d'approche (typiquement égale à quelques angstrôm), et εο εΓ désignent respectivement la permittivité diélectrique du vide et de l'électrolyte.
Il résulte de cette expression que la surface de l'interface électrode électrolyte représente un paramètre ajustable pour augmenter la capacité d'un supercondensateur et le rendre plus performant.
Il est courant d'utiliser en guise d'électrode du carbone du fait de sa stabilité électrochimique vis-à-vis de l'électrolyte et sa capacité à former par oxydation d'une poudre de carbone en atmosphère humide une interface rugueuse avec de nombreux micro et macro pores, augmentant ainsi la surface A. L'utilisation de carbone peut conduire à des supercondensateurs dont la capacité Cdi atteint une valeur de 100 F/g. Cette valeur limite ne peut être augmentée en raison d'une incapacité de stockage des ions lorsque les pores ont une dimension inférieure à 2 nm. Ainsi, pour des surfaces supérieures à 1000 m2/g, les performances des électrodes de carbone ne sont plus augmentées mais potentiellement diminuées par la présence de pores inactifs. Afin d'augmenter la surface A, il a été proposé d'utiliser des nanotubes de carbone, qui présentent en outre l'avantage d'avoir une conductivité électronique élevée. Cependant, les dimensions réduites des nanotubes ne sont pas adaptées pour une accumulation de charges dans les tubes. Une fonctionnalisation des nanotubes de carbones par adjonction de matière organique apte à stocker les ions ne permet pas d'atteindre des capacités supérieures à 120 F/g.
Le graphène est un matériau à base de carbone présentant une surface bidimensionnelle étendue pouvant atteindre une valeur théorique de 2620 m2/g. L'utilisation de graphène en guise d'interface entre une électrode et un électrolyte dans un supercondensateur présente des avantages : le graphène ne repose pas sur le stockage des ions dans des pores susceptibles de varier en taille, l'épaisseur atomique du graphène permet de diffuser les ions et les charges sur des très courtes distances avec une grande efficacité, le graphène est un bon conducteur électrique et est stable chimiquement dans les électrolytes des supercondensateurs.
Toutefois, les feuillets de graphène ont tendance à s'empiler les uns sur les autres et à se superposer de telle sorte qu'ils ne peuvent être utilisés que sur une seule face en regard de l'électrolyte. Les forces de Van der Waals lient les feuillets de graphène entre eux et bloquent l'accès aux ions vers les feuillets pris en sandwich.
Il est par conséquent recherché un procédé de fabrication d'une structure apte à stocker des ions et utilisable en tant qu'interface électrode-électrolyte dans un supercondensateur qui offre une surface A élevée et permet d'atteindre une capacité de valeur supérieure aux valeurs obtenues par les méthodes de fabrication traditionnelles.
EXPOSE DE L'INVENTION
Pour répondre aux problèmes exposés ci-avant, la présente invention propose un procédé de fabrication d'une structure destinée à former une interface entre une électrode et un électrolyte d'un supercondensateur, ladite structure comprenant au moins un feuillet de graphène oxydé dopé à l'azote et comprenant des groupements à base de phosphore et d'oxygène, ledit procédé comprenant :
- préparer une suspension aqueuse d'un oxyde de graphène dans de l'eau ;
- ajouter un composé à base d'azote dans la suspension aqueuse ;
- chauffer la suspension aqueuse ;
- filtrer la suspension aqueuse afin d'obtenir un composé solide comprenant du graphène oxydé dopé à l'azote ;
- préparer une suspension acide comprenant le composé solide et un acide phosphorique ;
- chauffer la suspension acide ;
- filtrer la suspension acide afin d'obtenir une structure comprenant au moins un feuillet de graphène oxydé dopé à l'azote et comprenant des groupements à base de phosphore et d'oxygène.
Ce procédé permet de réaliser au moins un feuillet de graphène fonctionnalisé de sorte que les forces de Van der Waals entre feuillets soient réduits, permettant d'augmenter la surface de graphène utilisable pour accueillir des ions dans un supercondensateur. En outre, le procédé proposé est simple à réaliser car il utilise un oxyde de graphène dans une suspension aqueuse pour remplacer certains sites carbonés par de l'azote avec un environnement chimique contrôlé obtenu par la mise en œuvre du procédé de l'invention. En effet, en chauffant une suspension aqueuse comprenant un composé à base d'azote et de l'oxyde de graphène, l'invention permet d'obtenir un dopage présentant une répartition entre sites graphitiques, pyrroliques et pyrinidiques adaptée à une réduction des forces de Van der Waals entre feuillets. L'adjonction ultérieure de groupements à base de phosphore et d'oxygène à cet oxyde de graphène dopé azote permet de réduire encore davantage le risque d'empilement des feuillets de graphène les uns sur les autres, et contribue en outre à offrir une plus grande stabilité du feuillet au sein du supercondensateur. En effet, les groupements à base de phosphore et oxygène peuvent être liés au graphène par des liaisons covalentes carbone-oxygène qui sont plus résistantes que les liaisons carbone-métal dans le cas de l'utilisation de groupements fonctionnels métalliques. Du fait de l'absence de composés métalliques parmi les hétéroatomes ajoutés au feuillet, la structure réalisée maintient son intégrité mécanique plus longtemps au sein d'un supercondensateur ce qui contribue à augmenter le nombre de cycles de charge/décharge envisageables pour le supercondensateur comprenant cette structure.
Le procédé de la présente invention permet ainsi d'obtenir une structure destinée à former une interface entre une électrode et un électrolyte d'un supercondensateur présentant une capacité Cdi de 400 F/g environ. En outre, le procédé de fabrication est simple à mettre en œuvre, et permet d'obtenir une structure augmentant le nombre de cycles de charge/décharge d'un supercondensateur.
Selon un mode de réalisation, la structure comprenant des feuillets de graphène oxydé dopé à l'azote et comprenant des groupements à base de phosphore et d'oxygène peut être déposée sur une électrode de supercondensateur pour former une double-couche.
Ce dépôt peut par exemple être réalisé en mélangeant un ou plusieurs feuillets de graphène à une encre qui est versée sur la surface extérieure d'une électrode d'un supercondensateur, par exemple une électrode en carbone. Selon un mode de réalisation, le composé à base d'azote peut être choisi parmi l'urée, la mélanine et l'ammoniaque.
Ces composés présentent l'avantage d'être des composés simples et peu volumineux, qui peuvent réagir facilement en solution sous l'effet de la chaleur pour libérer de l'azote qui se substitue à des atomes de carbone dans l'oxyde de graphène. En outre, ces composés permettent d'obtenir une répartition en sites graphitiques pyrroliques et pyrinidiques pour les atomes d'azote vérifiant typiquement les proportions suivantes : entre 15% et 25% de sites graphitiques, entre 45% et 55% de sites pyrroliques et entre 25% et 35% de sites pyrinidiques dans un feuillet d'oxyde de graphène. Ces proportions conviennent à une réduction des forces de Van der Waals sans altérer les propriétés électriques et la stabilité en solution du feuillet.
Selon un mode de réalisation, la suspension aqueuse peut comprendre une concentration en composé à base d'azote 20 à 50 fois plus grande qu'une concentration en oxyde de graphène.
Selon un mode de réalisation, la concentration en oxyde de graphène peut être comprise entre 0,5 mg/mL et 5 mg/mL dans la solution aqueuse, et que la concentration en composé solide est comprise entre 0,5 mg/mL et 5 mg/mL dans la solution acide.
Ces proportions favorisent l'apparition des sites graphitiques, pyrroliques et pyrinidiques dans les proportions définies ci-avant. Selon un mode de réalisation, la suspension aqueuse peut être chauffée à une température comprise entre 100°C et 200°C pendant une durée comprise entre 2 heures et 10 heures.
Selon un mode de réalisation, la suspension acide peut être chauffée à une température comprise entre 50°C et 200°C pendant une durée comprise entre 12 heures et 48 heures.
Selon un mode de réalisation, le procédé peut en outre comprendre :
- doper le composé solide avec des hétéroatomes choisis parmi le cobalt et le ruthénium.
L'ajout de ces hétéroatomes métalliques permet d'ajouter une pseudocapacité faradique à un supercondensateur, augmentant ainsi ces performances en énergie.
L'invention se rapporte également à une structure formant une interface entre une électrode et un électrolyte d'un supercondensateur, obtenue par la mise en œuvre du procédé décrit ci-avant, la structure comprenant au moins un feuillet de graphène oxydé, ledit feuillet étant dopé avec des hétéroatomes d'azote et comprenant en outre des groupements à base de phosphore et d'oxygène.
Notamment, la structure peut être agencée sur une électrode du supercondensateur.
Selon un mode de réalisation, l'azote représente une proportion inférieure à 10% atomiques dans le feuillet, tandis que les groupements à base de phosphore et d'oxygène représentent une proportion inférieure à 5% atomiques dans le feuillet. Ces proportions permettent de conserver de bonnes propriétés électriques dans un feuillet de graphène, de ne pas réduire la surface A disponible pour accueillir des ions dans un supercondensateur, et conduisent à une réduction efficace de l'empilement des feuillets les uns sur les autres. Selon un mode de réalisation, l'azote peut occuper des sites graphitiques, pyrroliques et pyrinidiques dans le feuillet dans les proportions suivantes : entre 15% et 25% de sites graphitiques, entre 45% et 55% de sites pyrroliques et entre 25% et 35% de sites pyrinidiques. Selon un mode de réalisation, les groupements à base de phosphore et d'oxygène comprennent des phosphates liés au feuillet par une liaison carbone-oxygène ou phosphore-oxygène.
L'utilisation de groupements phosphates liés spécifiquement à l'oxyde de graphène dopé azote via des liaisons impliquant de l'oxygène conduit à une plus grande stabilité de la structure au sein d'un supercondensateur. En effet, les liaisons carbone-phosphate sont moins stables et davantage susceptibles d'être endommagées lors du cyclage d'un supercondensateur. Selon un mode de réalisation, les groupements à base de phosphore et d'oxygène comprennent des hétéroatomes de phosphore liés au feuillet par au moins une liaison phosphore-oxygène avec un atome d'oxygène de l'oxyde de graphène. L'utilisation des atomes d'oxygène présents dans le feuillet permet d'éviter l'agglomération des groupements à base de phosphore sur les bords du feuillet.
L'invention se rapporte également à un supercondensateur comprenant une structure telle que décrite ci-avant.
DESCRIPTIF DES FIGURES
Le procédé objet de l'invention sera mieux compris à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisations présentés à titre illustratif, aucunement limitatifs, et à l'observation des dessins ci-après sur lesquels :
- la figure 1 est un ordinogramme représentant sept étapes du procédé de fabrication d'une structure destinée à former interface entre une électrode et un électrolyte d'un supercondensateur ;
- la figure 2 est représentation schématique d'un feuillet de graphène dopé à l'azote, intégré dans le feuillet suivant de sorte à occuper différents sites dans le feuillet comprenant des sites graphitiques, pyrroliques et pyrinidiques ;
- la figure 3 est une représentation schématique d'un feuillet d'oxyde de graphène identifiant différents configurations possibles pour lier l'oxygène au carbone du feuillet ;
- la figure 4 est représentation schématique d'un supercondensateur. Pour des raisons de clarté, les dimensions des différents éléments représentés sur ces figures ne sont pas nécessairement en proportion avec leurs dimensions réelles. Sur les figures, des références identiques correspondent à des éléments identiques.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
La présente invention propose un procédé de synthèse d'une structure comprenant au moins un feuillet de graphène fonctionnalisé de manière à ce que la structure puisse être utilisée en tant qu'une interface entre une électrode et un électrolyte d'un condensateur à électrolyte, aussi appelé supercondensateur. La structure à base de feuillet de graphène obtenu par le procédé de l'invention permet de conférer une capacité pouvant aller jusqu'à 400 F/g à un supercondensateur équipé d'une telle structure.
Le procédé de l'invention implique des étapes simples permettant, à partir d'un oxyde de graphène (obtenu selon des méthodes connues et bien maîtrisées), de rajouter une proportion d'hétéroatomes d'azote et des groupements à base de phosphore et d'oxygène. Le dopage à l'azote du procédé permet de répartir une proportion d'atomes d'azote inférieure à 10% atomiques dans le feuillet, et sert à réduire les forces de Van der Waals qui retiennent d'ordinaire des feuillets de graphène empilés les uns sur les autres. Le dopage à l'azote, au moyen du procédé de la présente invention, limite cet empilement et confère une plus grande surface de graphène accessible aux ions de l'électrolyte du supercondensateur venant former une double couche à partir de la structure de l'invention. L'utilisation de groupements à base de phosphore et d'oxygène favorise également la réduction de ces forces de Van der Waals, et permet en outre d'augmenter la stabilité de la structure au sein d'un supercondensateur au cyclage (alternances de phases de charge et décharge du supercondensateur). Cette propriété est notamment conférée par l'absence de métaux formant des liaisons carbone-métal moins résistantes que les liaisons phosphore- oxygène obtenues par le procédé de synthèse de la présente invention.
La figure 1 représente un ordinogramme résumant certaines étapes du procédé de la présente invention.
Au cours d'une première étape SI, une suspension aqueuse 1 est préparée. Cette suspension comprend typiquement de l'eau et un oxyde de graphène 10. Il est préféré d'utiliser une concentration en oxyde de graphène comprise entre 0,5 mg/L et 5 mg/L dans la suspension aqueuse 1.
L'oxyde de graphène peut typiquement être obtenu par un procédé connu tel que la « méthode de Hummer », telle qu'exposée par exemple dans le document Hummers, William S.; Offeman, Richard E. (March 20, 1958). "Préparation of Graphitic Oxide", Journal of the American Chemical Society. 80 (6): 1339.
Cette méthode permet d'obtenir un oxyde de graphite qui peut ensuite être exfolié dans un bain à ultrasons pour préparer l'oxyde de graphène utilisé à l'étape SI.
La figure 3 représente schématiquement un feuillet d'oxyde de graphène 10 comprenant des atomes de carbone 12, des atomes d'oxygène 11 et des atomes d'hydrogène 13. L'oxygène peut typiquement former trois liaisons chimiques différentes dans le graphène. Un premier type de liaison 101 consiste à former un groupement époxyde. Un deuxième type de liaison 102 consiste à former un groupement hydroxyle. Un troisième type de liaison consiste à former un groupement carboxyle.
Dans une deuxième étape S2, un composé à base d'azote 2 est ajouté dans la suspension aqueuse 1. Ce composé peut par exemple être choisi parmi l'urée, la mélanine ou l'ammoniaque. D'autres composés simples dont la taille ne dépasse pas celle de composés inorganiques couramment utilisés en chimie sont préférés. Ainsi, les composés azotés organiques et notamment les composés polymérisés ne sont pas privilégiés dans le procédé de l'invention.
Le composé à base d'azote 2 possède une concentration dans la suspension aqueuse 1 typiquement 20 à 50 fois plus grande que la concentration en oxyde de graphène. Ainsi des concentrations typiques peuvent être comprises entre 10 mg/mL et 50 mg/mL.
Au cours d'une étape S3 qui suit, la suspension aqueuse 1 est chauffée, à des températures typiquement comprises entre 100°C et 200°C pendant une durée comprise entre 2 heures et 10 heures. Cette étape permet à l'azote du composé à base d'azote 2 d'être intégré dans l'oxyde de graphène 10.
La suspension aqueuse 10 est ensuite filtrée lors d'une étape S4 afin d'obtenir un composé solide 20 comprenant au moins un feuillet d'oxyde de graphène dopé à l'azote 21.
Le procédé de la présente invention conduit naturellement à la formation d'un composé solide 20 dans lequel l'azote 21 occupe jusqu'à 10% atomiques du feuillet, et occupe différents sites dans le feuillet. Notamment, il a été constaté qu'à l'issue des étapes S4, l'azote 21 occupe entre 15% et 25% de sites graphitiques, entre 45% et 55% de sites pyrroliques et entre 25% et 35% de sites pyrinidiques dans le composé solide 20. Il convient de remarquer que le dopage à l'azote 21 peut conduire à une répartition de l'azote soit sur les bords du feuillet d'oxyde de graphène, soit en remplacement d'atomes de carbone dans le feuillet lui-même.
La structure du composé solide 20 décrite ci-dessus peut par exemple être observée et constatée expérimentalement par des mesures par diffraction de rayons X, ou de spectrométrie photoélectronique X, complétées par des mesures de microscopie électronique en transmission, bien connues de l'Homme du métier.
La figure 2 représente schématiquement un plan bidimensionnel de graphène 200 dopé à l'azote. Cette figure illustre un exemple de site graphitique 201, un exemple de site pyrrolique 202 et un exemple de site pyrinidique 203. Les sites dits « pyrinidiques » sont des sites conformes à la représentation de la figure 2. En outre, le dopage à l'azote du graphène peut également donner lieu à l'apparition de sites quaternaires et d'oxydes d'azote, bien que ces configurations-là ne soient pas majoritaires dans le composé solide obtenu par le procédé de la présente invention.
La répartition en sites graphitiques, pyrroliques et pyrinidiques obtenue dans le composé solide à l'issue de l'étape S4 semble conférer des propriétés particulièrement avantageuses au feuillet en terme de limitation des forces de Van der Waals à l'origine de l'empilement des feuillets, sans toutefois affecter les performances de conduction électrique du feuillet.
Le procédé se poursuit à l'étape S5 avec la préparation d'une suspension acide 3 dans laquelle une certaine quantité de composé solide 20 est ajoutée dans de l'acide phosphorique 4. La concentration du composé solide 20 dans la suspension acide 3 est typiquement comprise entre 0,5 mg/mL et 5 mg/mL.
La suspension acide 3 est ensuite chauffée lors d'une étape S6. Cette étape peut typiquement être effectuée à des températures comprises entre 50°C et 200°C pendant une durée comprise entre 12 heures et 48 heures. Cette étape permet d'incorporer au composé solide 20 des groupements 31 à base de phosphore et d'oxygène. Ces groupements se forment soit en bordure du feuillet, soit directement sur le feuillet.
En outre, l'incorporation de ces groupements est effectuée de telle sorte par le procédé mis en œuvre que les atomes de phosphates ne créent pas des liaisons chimiques directement avec les atomes de carbone 12 du composé solide 20, mais avec les atomes d'oxygène 11 du composé solide 20. Il est par exemple possible que du phosphore se greffe sur un atome d'oxygène 11 disponible. Il est également par exemple possible qu'un groupement à base de phosphore tel que du phosphate crée une liaison covalente via un atome d'oxygène du phosphate avec un atome de carbone 12 du composé solide.
Ces liaisons phosphate oxygène ou carbone oxygène sont plus résistantes que les liaisons phosphore carbone, ce qui permet de conférer à la structure 30 de meilleures propriétés en cyclage dans un supercondensateur, et d'augmenter la durée de vie du supercondensateur. A l'issue de cette étape S6, un filtrage de la suspension acide 3 est réalisé lors d'une étape S7 pour obtenir une structure 30 comprenant au moins un feuillet d'oxyde de graphène dopé à l'azote 21 et comprenant des groupements à base de phosphore et d'oxygène 31. Les groupements à base de phosphore et d'oxygène obtenus à l'issue de l'étape S7 occupent typiquement moins de 5% atomiques de la structure 30. Cette proportion faible de groupements à base de phosphore et d'oxygène permet de conserver les propriétés de conduction électrique de la structure sans les dégrader. En outre, il est possible de rajouter d'autres groupements fonctionnels à la structure 30. Par exemple, il est possible de procéder à un dopage en atomes métalliques de cobalt ou de ruthénium. La présence de métaux implique la formation de liaisons chimiques moins résistantes avec la structure 30, mais permet d'augmenter la capacité d'un supercondensateur équipé d'une telle structure en rajoutant un terme de capacité faradique supplémentaire.
La structure 30 obtenue à l'issue de l'étape S7 du procédé peut ensuite être déposée sous forme de couche sur une électrode d'un supercondensateur.
La figure 4 représente schématiquement un circuit comprenant une source de courant continue 5, une résistance 6 et un supercondensateur 40. Ce supercondensateur 40 comprend deux électrodes 41, 42 séparées par un électrolyte 43. Une interface 44 entre une électrode 41, 42, et électrolyte 43 peut bénéficier de la structure 30 obtenue par le procédé décrit ci-avant. La figure 4 représente un supercondensateur en fonctionnement, dans lequel l'interface 44 existe en tant que « double couche » comprenant une accumulation d'ions sur l'interface 44.
La structure 30 peut notamment être déposée sur une électrode via une encre. Une telle encre étalée sur la surface d'une électrode permet de déposer plusieurs feuillets sur l'électrode. Les feuillets, fonctionnalisés de telle sorte que les forces de Van der Waals tendant à provoquer un empilement des feuillets les uns sur les autres sont fortement réduites, s'agencent naturellement en laissant des espaces entre feuillets permettant aux ions d'accéder à une plus grande surface dans l'interface 44. Ainsi les performances électriques du supercondensateur 40 sont améliorées.
Exemple de réalisation
II est à présent décrit un exemple de réalisation d'une structure 30 telle que décrite ci- dessus.
Un oxyde de graphite est synthétisé par la méthode de Hummer, comme indiqué dans la référencée reprise ci-dessus. 3g d'une poudre de graphite commerciale sont dispersés dans une solution d'acide sulfurique concentré (69 mL, 96%) sous agitation magnétique pendant environ 10 min. 1,5 g de nitrate de sodium sont ajoutés à la suspension. Le mélange est agité mécaniquement pendant environ 10 min. L'ensemble de ce processus est réalisé à 20 °C. La suspension est ensuite refroidie à l'aide d'un bain de glace. 9 g de permanganate de potassium sont ensuite ajoutés à la suspension qui est toujours maintenue sous agitation magnétique. L'ensemble du mélange est ensuite porté à une température de 35 °C pendant environ 30 min à l'aide d'un bain d'huile. Environ 138 mL d'eau pure sont ajoutés au mélange. La température du bain d'huile est ensuite portée jusqu'à 98 °C pendant environ 15 min. Le mélange est ensuite refroidi à l'aide d'un bain de glace. 420 mL d'eau, puis 5 mL de peroxyde d'hydrogène sont ensuite ajoutés au mélange réactionnel. L'ensemble de la suspension est maintenu sous agitation magnétique pendant environ 30 min.
Le matériau ainsi obtenu subit ensuite un protocole de récupération et de lavage. L'ensemble de la suspension est soumise à centrifugation à 7000 rpm pendant environ 15 min. Suite à une étape de séparation mécanique le surnageant est éliminé. Le gel restant est remis en suspension dans une solution d'acide chlorhydrique. La suspension est à nouveau soumise à centrifugation à 7000 rpm pendant environ 15 min. Cette opération de lavage/séparation est répétée 2 fois. La même opération de lavage est refaite 5 fois en remplaçant l'acide chlorhydrique par de l'eau pure. Suite à l'étape de lavage le solide est séché à l'étuve (à environ 40 °C) pendant environ 48 h. La poudre est ensuite broyée manuellement dans un mortier.
Le matériau ainsi obtenu est tout d'abord exfolié par applications d'ultrasons pour obtenir un oxyde de graphène. Une suspension aqueuse contenant une concentration de 1 mg/mL du solide précédemment obtenue est tout d'abord réalisée avec de l'eau pure. La suspension est placée dans un bain à ultrasons (800 W) pendant environ 1 h.
Par la suite, le dopage à l'azote est réalisé à partir de l'oxyde de graphène.
Dans la suspension obtenue à l'étape précédente, de l'urée est ajoutée à la concentration de 30 mg/mL. La suspension est agitée à l'aide d'un barreau aimanté pendant environ 30 min à la température de 20 °C. La suspension obtenue est placée dans un autoclave en acier muni d'un réservoir en Téflon®. Le taux de remplissage est de 80%. L'autoclave est placé dans des conditions statiques à l'étuve préalablement portée à la température de 170 °C pendant 6 h. A la fin de la synthèse la température de l'étuve redescend à la température ambiante sans application d'une rampe de température. La suspension est alors filtrée sur filtre millipore présentant une taille de pores d'environ 0,45 micron. Le composé solide ainsi obtenu est alors filtré 4 fois en présence d'eau pure. Le solide est alors récupéré puis séché à l'étuve à 40 °C pendant environ 12 h.
Le composé solide ainsi obtenu subit une seconde étape de dopage dans le but d'inclure dans le solide des espèces phosphorées. Une suspension à la concentration de 1 mg/mL est préparée à l'aide du composé solide. La suspension est réalisée à l'aide d'acide orthophosphorique. La suspension est alors placée au bain à ultra-sons (800 W) pendant environ 1 h. Une fois la suspension stable, celle-ci est placée sous reflux dans un bain d'huile porté à la température de 120° C. La durée du traitement peut être comprise entre 12 et 48 h, et dure de préférence environ 24h. Le matériau est ensuite récupéré par centrifugation à 7000 rpm pendant environ 15 min. Le surnageant est ensuite retiré. La structure obtenue est ensuite lavée avec de l'eau pure par filtration. Cette dernière étape est répétée 5 fois. La structure obtenue est ensuite séché à l'étude pendant environ 12 h à la température de 40° C en veillant à ne pas dépasser une température de 80°C.

Claims

Procédé de fabrication d'une structure (30) destinée à former une interface (44) entre une électrode (41, 42) et un électrolyte (43) d'un supercondensateur (40), ladite structure comprenant au moins un feuillet de graphène oxydé dopé à l'azote et comprenant des groupements à base de phosphore et d'oxygène, ledit procédé comprenant :
- préparer une suspension aqueuse (1) d'un oxyde de graphène (10) dans de l'eau ;
- ajouter un composé à base d'azote
(2) dans la suspension aqueuse ;
- chauffer la suspension aqueuse ;
- filtrer la suspension aqueuse afin d'obtenir un composé solide (20) comprenant du graphène oxydé dopé à l'azote ;
- préparer une suspension acide
(3) comprenant le composé solide et un acide phosphorique
(4) ;
- chauffer la suspension acide ;
- filtrer la suspension acide afin d'obtenir une structure (30) comprenant au moins un feuillet de graphène oxydé dopé à l'azote et comprenant des groupements (31) à base de phosphore et d'oxygène.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure comprenant des feuillets de graphène oxydé dopé à l'azote et comprenant des groupements à base de phosphore et d'oxygène est déposée sur une électrode de supercondensateur pour former une double-couche.
Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le composé à base d'azote est choisi parmi l'urée, la mélanine et l'ammoniaque.
Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la suspension aqueuse comprend une concentration en composé à base d'azote 20 à 50 fois plus grande qu'une concentration en oxyde de graphène.
Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la concentration en oxyde de graphène est comprise entre 0,5 mg/mL et 5 mg/mL dans la solution aqueuse, et que la concentration en composé solide est comprise entre 0,
5 mg/mL et 5 mg/mL dans la solution acide.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la suspension aqueuse est chauffée à une température comprise entre 100°C et 200°C pendant une durée comprise entre 2 heures et 10 heures.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la suspension acide est chauffée à une température comprise entre 50°C et 200°C pendant une durée comprise entre 12 heures et 48 heures.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- doper le composé solide avec des hétéroatomes choisis parmi le cobalt et le ruthénium.
9. Structure (30) formant une interface (44) entre une électrode (41, 42) et un électrolyte d'un supercondensateur (40), obtenue par la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8, la structure comprenant au moins un feuillet de graphène oxydé, ledit feuillet étant dopé avec des hétéroatomes d'azote et comprenant en outre des groupements (31) à base de phosphore et d'oxygène.
10. Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est agencée sur une électrode du supercondensateur.
11. Structure selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que l'azote représente une proportion inférieure à 10% atomiques dans le feuillet, tandis que les groupements à base de phosphore et d'oxygène représentent une proportion inférieure à 5% atomiques dans le feuillet.
12. Structure selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que l'azote occupe des sites graphitiques, pyrroliques et pyrinidiques dans le feuillet dans les proportions suivantes : entre 15% et 25% de sites graphitiques, entre 45% et 55% de sites pyrroliques et entre 25% et 35% de sites pyrinidiques.
13. Structure selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que les groupements à base de phosphore et d'oxygène comprennent des phosphates liés au feuillet par une liaison carbone-oxygène ou phosphore-oxygène.
14. Structure selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisée en ce que les groupements à base de phosphore et d'oxygène comprennent des hétéroatomes de phosphore liés au feuillet par au moins une liaison phosphore-oxygène avec un atome d'oxygène de l'oxyde de graphène.
15. Supercondensateur (40) comprenant une structure (30) selon l'une quelconque des revendications 9 à 14.
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