Les matériaux d’électrodes

Le dioxyde de vanadium VO2

Au cours des dernières décennies, les oxydes d vanadium et leurs dérivés ont reçu une attention croissante en raison de leurs structures en couches, de leurs propriétés chimiques et physiquesimportantes conduisant à des applications prometteuses dans plusieurs domaines dansles catalyseurs, les capteurs de gaz, les batteries lithium-ion, les dispositifs de commutation optique, dans les affichages électrochromiques et les memristors (une quatrième classe de circuits électriques, joignant la résistance, le condensateur et l’inducteur, présentant leurs propriétésuniques principalement à l’échelle nanométrique) et surtout le stockage d’énergie [1-2], etc.
L’oxyde de vanadium comportant quatre degrés d’oxydation allant de +2 à+5, présente généralement plusieurs polymorphes tels que VO2 (A), VO2 (M), VO2 (R), VO2 (B), VO2 (T) et VO2 (bcc) [3,4]. En effet, VO2 (A), VO2 (R), VO2 (M) et VO2 (B) sont les plus attractifs car ils peuvent être facile à synthétiser et avec des propriétés accordables [3,5]. Par exemple, Theobald et al. [6] ont réussi à obtenir le VO2 (R) en utilisant la méthode hydrothermale.VO2 (B) → VO2 (A) → VO2 (R).
De plus, VO2 (M) possède un changement de phase passionnant d’une structure monoclinique (à une température d’environ 68 ° C) à une structure tétragonale VO2 (R) (conducteur) (à des températures supérieures à 68 ° C). Une transition réversible du premier ordre entre ces deuxphases s’accompagne d’un changement de structure du matériau passant du système cristallinmonoclinique au système tétragonal (métallique) [7]. La résistivité du (VO2 (M)) peut changer de 4 à 5 ordres de grandeur [8]. Le VO2 présente un comportement pseudo-capacitif stable et une réactivité élevée [9]. Le VO2 (B) qui a une structure monoclinique métastable est un matériaud’électrode potentiel pour les électrolytes organique et aqueux [10] et est généralement utilisé comme précurseur à transformer en d’autres VO2 polymorphes  [11,12]. Très récemment, l’application du polymorphe VO2 (B) dans les supercondensateurs a attiré une attention croissante car largement utilisé comme matériau d’électrode dans les applications de stockage d’énergie.Beaucoup d’études se concentrent sur les nanostructures VO2 (B) qui présentent un comportement de stockage d’énergie différent de celui du VO2 (A). Xiao et al. [13] ont synthétisé des nanobelts de VO2 (B) et ont obtenu une capacité égale à 142 F · g − 1 à la densité de courant de 1 A.g – 1 . Denget al. [14] ont préparé des nanoparticules de VO2 (B) et ont obtenu une capacité spécifique de 136F · g − 1 à une densité de courant de 0,25 A · g – 1. Les résultats obtenus ci-dessus, montrent que les propriétés électrochimiques du VO2 (B) ne sont pas meilleures. Par conséquent plusieurs voies ont été étudiées pour améliorer les performances en synthétisant des composites. Les composites comme dioxyde de vanadium (VO2) (B)/graphène, (VO2) (B) /Carbone graphitique, (VO2) (B)/carbure de vanadium (VC), (VO2) (B)/nanotubes de carbone, (VO2) (B)/carbone 60 (C60) sont étudiés. Par exemple, Liang et al. [15] ont présenté un matériau hybride à structure coaxiale composé de dioxyde de vanadium (VO2 (B)) et de nanotubes de carbone (NTC) à parois multiples (MWCNT) préparé par une méthode sol-gel facile suivie d’un processus de lyophilisation (la dessiccation d’un produit préalablement congelé, par sublimation). Le composite a donné une capacité spécifique de 250 F g-1 à un courant spécifique de 0,5 A g-1 et une bonne stabilité cyclique dans Na2SO4 1 M. Le composite VO2 (B) /NTC a démontré une meilleure capacitance spécifique et un débit de capacité supérieur à celle des matériaux purs.

Le carbone 60 (C60)

La popularité des fullerènes en science n’est pas simplement due à l’esthétique car d’intenses activités de recherche ont montré que le C60 peut être considéré comme un bloc de constructionpuissant à utiliser en science des matériaux et en chimie médicinale [16,17]. La combinaison deplusieurs propriétés intéressantes, notamment en termes de capacité d’accepteur d’électrons, à lafois à l’état solide et en solution rend les fullerènes spécifiques.
La molécule C60 se compose de faces hexagonales et pentagonales pour former une structure sphérique semblable à un ballon de football d’un diamètre sensiblement égale à 10 Å. C’est unemolécule creuse composée de 60 atomes de carbones réunis en forme de sphère présentant 60 sommets réunissant 12 pentagones et 20 hexagones juxtaposés ressemblant à un ballon de footballcomme représentée sur la figure (2.1). Cette structure en forme de ballon augmente sa surface spécifique et donne plus de pores augmentant aussi l’intercalation des ions dans le matériau, ce qui lui confère une bonne conductivité électronique. Le C60 est un matériau solide très résistant à lacompression et c’est un semi-conducteur comparé au graphite et au graphène. Ses bonnes propriétés physiques et chimiques font de lui un matériau d’électrode des supercondensateurs pour le stockage d’énergie. Il est l’un des allotropies de carbone de dimension zéro ayant des propriétés physiques et chimiques souhaitables avec une excellente propriété d’acceptation d’électrons, et moins de biotoxicité [18]. Les propriétés électrochimiques du fullerène ont été améliorées encombinant une moustache en fullerène C60 à base de polyaniline éméraldine [19]. Une Faiblerésistance électrique, une grande capacité spécifique de 813 F / g à une densité de courant de 1 A /g, et une rétention de capacité spécifique de 85,2% après 1500 cycles ont été obtenues enappliquant le matériau comme électrode dans les supercondensateurs. Récemment, Kim et al. Ont proposé leshydroxydes double en couches (LDH) Fe-Nielayer (LDH) incorporés dans le fullerène C60 et ont exploré ses performances électrochimiques en tant que matériau d’électrodes dans lessupercondensateurs hybrides [20]. Le nanohybride C60 Fe-Ni-LDH synthétisé a présenté de meilleures performances telles qu’une capacité spécifique élevée et une stabilité cyclique que le graphène-Fe-Ni-LDH nanohybride.

Le carbure de vanadium (VC)

Ces dernières années, les carbures métalliques de transition (TMC) ont attiré une attentionparticulière en raison de leurs caractéristiques distinctives tels qu’une excellenteconductivitéélectrique et thermique, un point de fusion élevé, une forte résistance à la corrosion ainsi qu’uneexcellente stabilité mécanique et chimique. L’ensemble de ces caractéristiques a incité les chercheurs à étudier les TMC dans de nombreux domaines d’application, particulièrement commematériaux d’électrodes potentiels pour le stockage d’énergie. Quelques exemples de TMC ont été étudiés comme le carbure de tungstène (W2C), le carbure de vanadium (VC), le carbure demolybdène (Mo2C), le carbure de titane (TiC), etc. [21] [22] [23] [24]. De nombreuses études ontdonné différentes méthodes de conception de nanostructures TMC avec diverses dimensionnalitéstelles que des structures à dimension zéro (0D), celles à une dimension (1D), à deux dimensions(2D) mais aussi à trois dimensions (3D) [21] [24] [25]. Par exemple, Chen et al [25] ont produitdes nanoflocons de TiC multicouches grâce à une stratégie de biotemplate dans laquelle, ils ont utilisé une serviette en coton comme source de carbone. Leur étude montre que les nanoflocons de TiC, en tant que matériaux d’électrode pour les supercondensateurs, ont présenté de bonnesperformances électrochimiques [25]. Parmi ces carbures, le carbure de vanadium (composéchimique de formule VC), est l’un des carbures les plus intéressants en raison de ses nombreuses propriétés favorables, telles qu’une dureté élevée [26], une température de fusion élevée (2830 ° C) [27], une faible conductivité thermique [28], une certaine plasticité et une bonne mouillabilité à la liaison métallique. De plus, le VC a un faible coefficient de frottement [29]. En outre, lorsque le VCest utilisé à des températures élevées, il est oxydé en oxyde de vanadium (V2O5), qui secaractérise par des performances d’autolubrification [30,31]. Cette combinaison avantageuse peutcréer une couche de revêtement protecteur sur la surface du matériau composite avec une résistance renforcée contre l’usure thermique, mécanique et à la corrosion [32,33]. Il est utilisé commercialement dans les mèches et outils de coupe. En raison de sa stabilité chimique et ses excellentes propriétés à haute température, il peut être utilisé comme additif au carbure detungstène (WC) pour affiner les cristaux de carbure en inhibant la croissance des grains et améliorer lespropriétés des cermets (matériaux composites composés de matériaux céramiques (cer) et métalliques (met)) et des revêtements de surface. Le carbure de vanadium cubique (VC) est d’un grand intérêt, en tant que matériau d’anode pour Les batteries lithium-ion (LIB) et les batteries sodium-ion (SIB). Plusieurs approches ont été développées pour la synthèse de nanostructures VC.
Le VC a été préparé par diverses réactions à haute température [34], telles que la réaction à basse pression d’hydrure de vanadium avec du carbone dans une atmosphère réductrice à 2000 ° C, laréaction sous vide de vanadium élémentaire et de carbone à haute température, l’électrolyse du selfondu, la précipitation chimique, le dépôt chimique en phase vapeur, la réduction carbothermiquedu trioxyde ou du pentoxyde de vanadium (V2O5) comme illustrée dans l’équation (2) et la fusiondu vanadium métallique en présence de carbone.

La méthode de synthèse des matériaux VO2(B)/C60 et (VO2 (B)/C60/VC)

Diverses techniques peuvent être utilisées pour la synthèse de l’oxyde métallique VO2, du carbone60 et du carbure de vanadium (VC). Parmi ces techniques il y a les méthodes : solvothérmale[35], de décomposition des sels [36], de combustion [36-37], hydrothermale [38], de sol-gel et depyrolyse par pulvérisation. Les voies hydrothermales, solvothermales et synthèse verte présententde nombreux avantages comparés aux méthodes plus classiques énumérées précédemment. Ellespermettent d’obtenir des matériaux nanostructurés et parfaitement cristallisés sans étape de recuitthermique. De plus, ces procédés sont relativement simples et ne nécessitent qu’une seule étapequand les autres méthodes nécessitent un contrôle précis des conditions opératoires(pH,température,…) et de nombreuses étapes comme (précipitation, vieillissement, recuit,…).
Cependant, les techniques hydro/solvothermales classiques à faibles températures (T < 200 °C)requièrent de longs traitements thermiques (plusieurs heures) en raison de cinétiques deréactionslentes. Ce sont des procédés respectueux de l’environnement qui évitent la toxicité desproduits chimiques. La synthèse verte consiste à mettre au point au niveau des molécules,desréactions chimiques qui engendrent de nouveaux produits et de nouveaux procédéspouratteindre desobjectifs écologiques comme devenir moins gourmand en énergie ouréduire laquantité dedéchetset de substances dangereuses dans l’environnement. Elle permetaussi de trouver de moyensd’utiliser le dioxyde de carbone (CO2) (qui est un gaz à effet de serre à la réputation néfaste) comme une ressource au lieu de le voir seulement comme déchet.

Conclusion

La performance des supercondensateurs dépend de celle des matériaux de base de sesélectrodes.
Les propriétés physico‐chimiques du VO2, du C60 et du VC laissent présager leurs utilisationscomme brique élémentaire dans la synthèse de nouveaux matériaux composites pouvant êtreutilisés comme électrodes de supercondensateurs. Les importantes propriétés de ces troiscomposants ci-dessus ont été développées ainsi que la description de leur méthode de synthèse.