Role of surface termination in charge storage mechanism of 2D metal carbide

Rôle de la terminaison de surface dans le mécanisme de stockage de charge du carbure métallique 2D L'objectif principal de la thèse était de synthétiser et d'effectuer une étude approfondie de nouveaux matériaux carbures métalliques 2D appelés MXènes, pour des applications de stockage d'énergie. Dans cette thèse, les MXènes Ti3C2 les plus largement étudiés ont été synthétisés à l'aide de deux techniques différentes: l'attaque chimique d'un précurseur MAX (Ti3AlC2) par du fluorure d'hydrogène pour préparer des MXènes Ti3AlC2 à terminaisons F (HF-MXène), et la synthèse à base de sels fondus (MS-MXène) pour modifier leurs terminaisons de surface. La thèse a commencé par la mise au point des terminaisons de surface du MXène et l'analyse de leur performance électrochimique dans un électrolyte aqueux. Les propriétés hydrophiles se sont avérées dépendantes des terminaisons de surface, où l'expansion la plus importante de l'espacement inter-feuillet, ainsi que l'amélioration de la mouillabilité ont été observées pour le MXène à terminaison -O suivi par le N,O-MXène. Les performances électrochimiques du N,O-Ti3C2 ont été observées pour produire une signature de voltampérométrie cyclique capacitive avec une paire de pics d'oxydoréduction réversibles. Les pics d'oxydoréduction ont été associés à un processus d'activation lors du premier cycle, lié à l'intercalation réversible de protons avec des molécules d'eau, confirmée par XRD et EQCM in situ. La dépendance de la terminaison de surface dans l'insertion de l'eau inter-feuillet a ensuite été trouvée pour améliorer la performance électrochimique dans l'électrolyte aqueux. Ensuite, la caractérisation des terminaisons de surface par ss-NMR a révélé la présence d'une plus grande quantité de terminaisons hydroxyle pour le HF-MXene, en raison de la méthode d'attaque chimique par voie humide, tandis que la présence accrue d'eau et d'oxydation pour le MS-MXene. Ces variations dans les terminaisons de surface se sont avérées jouer un rôle essentiel dans la formation du SEI, étudiée à partir de la RMN ss après le SEI. Une réduction des signaux d'hydroxyle et d'eau a été observée pour les deux MXene, avec un piégeage du solvant de carbonate d'éthylène uniquement observé pour le HF-MXene, ce qui suggère une insertion de lithium avec une sphère de solvatation. On a observé que le fluorure LiF était le composant SEI dominant en raison de la présence plus importante de terminaisons -F observées avant la formation de la SEI pour le HF-MXene, tandis que la présence plus importante de terminaisons O a conduit à une SEI épaise et riche en Li2CO3 pour le MS-MXene. Dans la dernière partie du travail, nous avons réalisé une visualisation directe, à l'aide de l'iDPC-STEM, de l'intercalation du lithium désolvaté dans le MS-MXène en raison de l'épaisseur de la SEI et de l'entrée du lithium avec le solvant dans le HF MXène. Une étude plus poussée de la variation de résistance dans le plan de l'électrode a également révélé des différences dans la formation de la SEI pour les deux MXènes. L'importance de la terminaison de surface du MXène dans le stockage de la charge dans un électrolyte aqueux et non aqueux a été étudiée.