Propriétés de transfert de charge des tannins pour des applications en stockage d'énergie

En 2019, le gouvernement du Canada a déclaré l'urgence climatique pour répondre aux problèmes causés par le réchauffement climatique, généré en partie par la demande croissante en énergie. Pour réduire l'empreinte carbone due à la dépendance aux centrales au gaz et au charbon, les pays se tournent vers les sources d'énergie renouvelable. Un des problèmes est que ces sources alternatives ont tendance à être intermittentes, ce qui nécessite la mise au point de nouveaux systèmes de stockage d'énergie. Un autre défi est la génération de déchets électroniques résultant de l'utilisation de plus en plus répandue de dispositifs électroniques. Une solution à ces problèmes est le développement de nouveaux systèmes de stockage d'énergie électrochimique organiques, comprenant les supercondensateurs, qui peuvent être efficaces, abordables et respectueux de l'environnement. Les tannins, métabolites secondaires des grandes plantes et facilement extraits des déchets de l'industrie forestière, seront explorés dans ce mémoire en tant que matériau actif dans les applications de stockage d'énergie. Les tannins sont composés de polyphénols pouvant s'oxyder en quinones. Le comportement électrochimique des tannins sera étudié pour deux molécules représentatives de cette famille, l'acide tannique et le (+)-catéchine. Une stratégie pour augmenter la capacité des systèmes de stockage d'énergie est l'ajout de molécules redox organiques à l'électrode ou à l'électrolyte. La première partie de ce travail examine cinq méthodes différentes de dépôt de tannins sur des électrodes en papier carbone pur (BareCP) : le dépôt par immersion dans une solution tampon, le dépôt par fixation des tannins par une membrane à échange de protons, le dépôt par fixation à l'électrode d'un réseau métal-phénolique utilisant la dopamine comme adhésif et par un dépôt en milieu acide. Chaque méthode est évaluée qualitativement pour la stabilité des tannins, l'adhérence des tannins sur l'électrode, l'impact sur l'environnement et l'augmentation de la capacité. La méthode optimale est sélectionné pour l'évaluation électrochimique des tannins et appliquée à la fabrication d'un supercondensateur. Il semble que le dépôt en milieu acide donne les résultats les plus cohérents et elle a été choisie pour poursuivre une analyse électrochimique dans le chapitre suivant. L'application galvanostatique d'un courant sur l'électrode modifie sa composition chimique de surface et sa porosité, ce qui entraîne une augmentation des performances de l'électrode. Les électrodes qui ont subi ce processus sont dites activées et sont désignées par l'acronyme AcCP. Pour comprendre les processus d'activation et de déposition, des tannins ont été déposés sur des électrodes en papier carbone pur (BareCP/TA et BareCP/Ctn) et sur des électrodes activées (AcCP/TA et AcCP/Ctn). Un troisième cas est présenté lorsque le dépôt et l'activation ont lieu simultanément (AcTACP et AcCtnCP).

Abstract

In 2019, the Government of Canada declared a climate emergency to respond to the problems caused by global warming, generated partly by the increasing demand for energy. To reduce the carbon footprint due to reliance on gas and coal power plants, countries are turning to renewable energy sources. One challenge is that these alternative sources tend to be intermittent, hence necessitating the development of new energy storage systems. Another challenge is the electronic-waste generation from the increasingly ubiquitous use of electronic devices and their powering elements. One solution to these challenges is the development of novel organic electrochemical energy storage systems, that include supercapacitors, which can be efficient, affordable and environmentally friendly. Tannins, which are secondary metabolites in the higher plants and readily extracted from forest industry waste, will be explored in this thesis as an active material in energy storage applications. Tannins are made of polyphenols that can oxidize to quinones; to explore the electrochemical behavior of tannins, two representative molecules of this family are studied, tannic acid and (+)-catechin. One strategy to increase the capacity of energy storage systems has been the addition of organic redox molecules to the electrode or the electrolyte solution. The first part of this work examines five different deposition methods of tannins on pure carbon paper electrodes (BareCP): (a) buffer solution immersion deposition, (b) proton exchange membrane fixation, (c) immobilizing the tannins within a conductive polymer, (d) forming a metal-phenolic network using dopamine as an adhesive for the network and (e) deposition in an acid medium. Each method is qualitatively assessed for tannin stability, adhesion of tannins on electrode, environmental impact, and magnitude of increase in capacity; the optimal method is selected for electrochemical evaluation of tannins and applied to make a functional supercapacitor device. It appears that deposition in acidic medium gives the most consistent results and was chosen for electrochemical analysis continued in the next chapter. The galvanostatic application of a current to the electrode changes its chemical composition and surface porosity resulting in an increase in the performance of the electrode. The electrodes that have undergone this process are said to be activated and they are referred to by the acronym AcCP. To understand the activation processes, tannins were deposited on pure carbon paper electrodes (BareCP/TA and BareCP/Ctn) and on activated electrodes (AcCP/TA and AcCP/Ctn). A third case is presented where deposition and activation occurs simultaneously (AcTACP and AcCtnCP).