NiCo2O4@C60/g-C3N4 matériau d’électrodes

L’oxyde de nickel cobalt spinelle (NiCo2O4)

Le spinelle NiCo2O4 est considéré comme l’un des candidats les plus prometteurs pour les applications de supercondensateurs en raison de son faible coût1 , de sa bénignité environnementale2 , de son abondance naturelle3 , et de sa faible toxicité4 . Plus important encore, NiCo2O4 présente de merveilleuses performances électrochimiques telles que des valeurs de capacité élevées à des temps de charge/décharge courts et plusieurs états redox5 . De plus les comportements redox du nickel et du cobalt sont impliqués dans le stockage d’énergie6 . Ce qui fait qu’il offre une réaction redox plus riche7 et une conductivité électronique bien meilleure (au moins deux ordres de grandeur plus élevée)8 que celles des oxydes de nickel monométalliques et des oxydes de cobalt (NiCo2O4> NiO> Co3O4), et de nombreux chercheurs ont également vérifié qu’il possédait une résistance bien plus faible3 . Généralement, les oxydes métalliques binaires NiCo2O4 ont une structure cubique où les ions nickel occupent les sites octaédriques, et les ions cobalt se répandent sur les sites octaédriques et tétraédriques9 . Figure 2.1| Structure cristallographique du spinelle NiCo2O4 9 NiCo2O4@C60/g-C3N4 matériau d’électrodes Chapitre . NiCo2O4@C60/g-C3N4 matériau d’électrodes Sokhna DIENG Sciences et Génie des Matériaux 2018-2019 23 Dans d’autres cas, NiCo2O4 peut être considéré comme un atome de nickel remplaçant l’un des atomes de cobalt dans Co3O4. Évidemment, la différence de propriétés physiques et de performances électrochimiques entre NiCo2O4 et Co3O4 est attribuée à l’introduction de l’atome de nickel dont la taille est similaire à celle de l’atome de cobalt qui provoque un petit changement dans la structure cristalline, dans laquelle les défauts ont des effets inattendus sur les performances électrochimiques3 . Co3O4 + OH− + H2O ↔ 3CoOOH + e− Eq. 2.1 NiCo2O4 + OH− + H2O ↔ NiOOH + 2CoOOH + e− Eq.

Actuellement, de nombreux rapports sont disponibles sur la synthèse de matériaux d’électrodes NiCo2O4 avec diverses morphologies sous forme de nanofils (1D)3 , nanotubes (1D)10, nanotiges (1D)3 , nanofeuilles (2D)10 et nanofleurs (3D)6 pour améliorer ses performances électrochimiques. Les nanostructures 1D peuvent, raccourcir la longueur de diffusion des ions, réduire le temps de charge/décharge et augmenter la surface de contact électrolyte-électrode. Liang et al. ont préparé avec succès des nanotubes de NiCo2O4 par coprécipitation facile suivie d’un traitement de recuit thermique. Au bout de 8600 cycles à une densité de courant de 10 A g-1, ils ont eu une capacité de rétention de 94,74%3 . Sahoo et al. ont également réussi à synthétiser des nanorods spinelles NiCo2O4 par une voie hydrothermale facile et peu coûteuse11 .

Les nanostructures 2D NiCo2O4 sont bien connues comme systèmes de stockage et de conversion d’énergie en raison de leurs propriétés électroniques distinctives. Elles présentent considérablement une surface spécifique et une grande électroactivité. Récemment, Lou et al. ont préparé des nanofeuilles de NiCo2O4 ultrafines par une méthode solvothermique en une étape qui ont perdu qu’une capacité d’environ 10,6% après 12 000 cycles4 .

 Les matériaux Carbonés (C60 et g-C3N4)

La conception de matériaux hybrides NiCo2O4 correctement combinés est fortement souhaitée pour répondre aux exigences des supercondensateurs de hautes performances2 . En raison de leur zone spécifique élevée, d’une bonne conductivité électrique et d’une stabilité chimique élevée4 , les matériaux carbonés10 tels que le C60 et le g-C3N4, ont été typiquement utilisés pour assembler des électrodes composites à base de NiCo2O4. De plus, ces matériaux carbonés sont abondants, bon marché et peuvent également provenir des déchets de la biomasse15, par exemple, Xiao et al. ont synthétisé du carbone poreux à partir de la coque d’arachide via un traitement hydrothermal indiquant d’excellentes performances électrochimiques capacitives avec une capacitance spécifique de 333 F g-1 et une bonne stabilité après 10000 cycle

 Le fullerène C60

Á ce jour, le C60 trouve des applications dans le domaine des dispositifs de stockage d’énergie17 en raison de son bon potentiel électrochimique et sa bonne stabilité cyclique18. Il est constitué de 60 atomes de carbone avec 20 cycles hexagonaux et 12 cycles pentagonaux, chaque pentagone étant entouré de 5 hexagones19. Plus simplement, la structure du C60 est semblable à celle d’un ballon de football, il est aussi appelé buckminsterfullerène en raison de sa ressemblance avec les dômes géodésiques créés par l’architecte Richard Buckminster Fuller18 . Figure 2.3| Structure moléculaire du C6020 Il fut le premier composé stable de la série des fullerènes20.

Sa découverte a stimulé de nombreuses recherches, en raison de sa structure et de ses propriétés électroniques. Il est considéré comme un allotrope de carbone 0D placé entre le graphite et le diamant en raison de son hybridation de liaison due à leur forme sphérique et ne présente pas les problèmes de préparation qu’ont certains matériaux carbonés, en outre bien connu pour son électro-réduction réversible et reproductible, donc un matériau attractif pour les applications de supercondensateurs21 . 

Bien que le C60 ait suscité un intérêt considérable en matière de recherche en raison de ses excellentes caractéristiques, il reste encore un certain nombre de problèmes liés notamment à une solubilité limitée, et une faible surface spécifique par rapport à d’autres nanomatériaux de carbone22 . Ainsi une modification de ses propriétés de base comme une combinaison avec d’autres matériaux pourrait générer des performances synergiques et plus excitantes en tant que matériaux d’électrode que l’impact obtenu par le C60 pur.

Nitrure de carbone graphitique (g-C3N4)

Le g-C3N4 est l’un des matériaux les plus fascinants avec une excellente conductivité thermique, une structure d’adaptation facile23 et une faible conservation24. Il est largement étudié pour la photocatalyse en raison de sa force d’absorption directe dans le visible et d’autres dispositifs de conversion d’énergie. Récemment, il a attiré une attention considérable dans le domaine du stockage d’énergie en raison de sa caractéristique électronique unique, de son excellente stabilité thermique et chimique, de sa porosité25 , et de sa grande surface spécifique26. De plus, il est peu coûteux, abondant, non toxique, et peut être facilement synthétisé10 .

Il est un semi-conducteur polymère conjugué sans métal bidimensionnel semblable au graphite, composé de deux éléments abondants (carbone et azote), en proportion de 39,13% de carbone et 60,87% d’azote27. La présence d’azote à haute teneur avec une structure poreuse est bénéfique pour augmenter la propriété de donneur d’électrons de la matrice de carbone pour les réactions faradiques, entraînant une amélioration du transport d’électrons entre les matériaux actifs et la mouillabilité avec les électrolytes28 .