Cette thèse vise à comprendre et étudier la cinétique électrochimique et les mécanismes de stockage de charge de l'électrode Ti3C2Tx MXene dans les systèmes aqueux, et à augmenter davantage les performances électrochimiques du Ti3C2Tx MXene dans les systèmes non aqueux. Dans la première partie de cette thèse, les comportements électrochimiques des électrodes pseudocapacitives Ti3C2Tx MXene ont été analysés dans des électrolytes aqueux par une technique de chronoampérométrie à étapes potentielles multiples (MUSCA). Le MUSCA permet de reconstruire des voltammogrammes cycliques avec une contribution de la chute ohmique considérablement plus faible, ce qui permet de déconvoluer avec précision les réponses en courant du voltammogramme partagées entre les processus de surface et ceux se déroulant dans le cœur des électrodes à tout potentiel donné, en particulier à des vitesses de balayage élevées. Une analyse cinétique électrochimique de l'électrode Ti3C2Tx utilisant les voltammogrammes calculés grâce au MUSCA a montré que le processus de surface domine à une vitesse de balayage plus élevée tandis que le processus au cœur prend le relais à la vitesse de balayage faible dans les électrolytes acides et alcalins. Par la suite, les mécanismes de stockage des charges des électrodes Ti3C2Tx dans l'électrolyte acide ont été étudiés en combinant des approches expérimentales et de simulation. Il a été démontré que la présence de molécules de H2O entre les couches de MXene joue un rôle critique dans le comportement pseudocapacitif, fournissant une voie de transport de protons pour activer la réaction redox des atomes de Ti. Dans la deuxième partie de la thèse, une gravure des phases MAX dans des acides fondus de Lewis est proposée et validée par la synthèse de divers MXènes à partir des précurseurs de phase MAX non conventionnels avec des éléments A tels que Si, Zn et Ga. Le matériau Ti3C2Tx MXene obtenu par cette méthode de synthèse de sel fondu peut fournir une capacité de stockage allant jusqu'à 738 C g-1 (205 mAh g-1) avec des performances à haute vitesse de balayage et une signature électrochimique pseudo-capacitive dans l'électrolyte à base de carbonate LiPF6 1M. Ce matériau offre des opportunités en tant qu’'électrode négative dans les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique. |
This thesis aims at studying the electrochemical kinetics and charge storage mechanisms of 2-Dimmensionnal MXene metal carbides electrode (Ti3C2 for instance) in aqueous and non-aqueous electrolytes. In the first part of this thesis, the electrochemical behaviors of pseudocapacitive Ti3C2Tx MXene electrodes were analyzed in aqueous electrolytes using a multiple potential step chronoamperometry (MUSCA) technique specifically designed for this study. The MUSCA tool allows for building back cyclic voltammograms by minimizing ohmic drop contribution. The current can then be deconvoluted at any given potentials into surface and bulk contributions,especially at high scan rates. The calculated voltammograms are further used to achieve an electrochemical kinetic analysis of the Ti3C2Tx electrode; results showed that the surface process dominates at a higher scan rate while the bulk process takes over at the low scan rate in both acidic and alkaline electrolytes. Afterward, the charge storage mechanisms of the Ti3C2Tx electrodes in the acidic electrolyte was further studied by combining experimental and simulation approaches. It was demonstrated that the presence of H2O molecules in-between the MXene layers plays a critical role in the pseudocapacitive behavior, providing a pathway for proton transportation to activate the redox reaction of the Ti atoms. In a last part of the work, a new synthesis method of MXenes has been proposed from the etching of MAX phase precursors in Lewis acidic melts. This new method allows the synthesis of various MXenes, including from MAX phase precursors with A elements such as Si, Zn, and Ga which were difficult or impossible to prepare from conventional etching from HF containing aqueous electrolyte. Ti3C2Tx MXene material obtained through this molten salt synthesis method could achieve exceptionnal electrochemical performance in 1M LiPF6 carbonate-based electrolyte non-aqueous electrolytes, with capacity up to 738 C g-1 (205 mAh g-1) with high-rate performance and pseudocapacitive-like electrochemical signature, offering opportunities as negative electrode in electrochemical energy storage devices. |