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

Julien Lemieux

Master's thesis (2019)

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Abstract

In 2019, the Government of Canada declared a climate emergency to respond to the problemscaused by global warming, generated partly by the increasing demand for energy. To reducethe carbon footprint due to reliance on gas and coal power plants, countries are turning torenewable energy sources. One challenge is that these alternative sources tend to be intermittent,hence necessitating the development of new energy storage systems. Another challengeis the electronic-waste generation from the increasingly ubiquitous use of electronic devicesand their powering elements. One solution to these challenges is the development of novelorganic electrochemical energy storage systems, that include supercapacitors, which can beefficient, affordable and environmentally friendly. Tannins, which are secondary metabolitesin the higher plants and readily extracted from forest industry waste, will be explored in thisthesis as an active material in energy storage applications. Tannins are made of polyphenolsthat can oxidize to quinones; to explore the electrochemical behavior of tannins, tworepresentative molecules of this family are studied, tannic acid and (+)-catechin.One strategy to increase the capacity of energy storage systems has been the addition oforganic redox molecules to the electrode or the electrolyte solution. The first part of thiswork 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 networkusing 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 selectedfor electrochemical evaluation of tannins and applied to make a functional supercapacitordevice. It appears that deposition in acidic medium gives the most consistent results andwas chosen for electrochemical analysis continued in the next chapter. The galvanostatic applicationof a current to the electrode changes its chemical composition and surface porosityresulting in an increase in the performance of the electrode. The electrodes that have undergonethis process are said to be activated and they are referred to by the acronym AcCP. Tounderstand 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). Athird case is presented where deposition and activation occurs simultaneously (AcTACP andAcCtnCP).

Résumé

En 2019, le gouvernement du Canada a déclaré l'urgence climatique pour répondre aux problèmescausés par le réchauffement climatique, généré en partie par la demande croissanteen énergie. Pour réduire l'empreinte carbone due à la dépendance aux centrales au gaz etau charbon, les pays se tournent vers les sources d'énergie renouvelable. Un des problèmesest que ces sources alternatives ont tendance à être intermittentes, ce qui nécessite la miseau point de nouveaux systèmes de stockage d'énergie. Un autre défi est la génération dedéchets 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 stockaged'énergie électrochimique organiques, comprenant les supercondensateurs, qui peuvent êtreefficaces, abordables et respectueux de l'environnement. Les tannins, métabolites secondairesdes grandes plantes et facilement extraits des déchets de l'industrie forestière, seront explorésdans 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 comportementélectrochimique 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 demolécules redox organiques à l'électrode ou à l'électrolyte. La première partie de ce travailexamine cinq méthodes différentes de dépôt de tannins sur des électrodes en papier carbonepur (BareCP) : le dépôt par immersion dans une solution tampon, le dépôt par fixation destannins par une membrane à échange de protons, le dépôt par fixation à l'électrode d'un réseaumétal-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 destannins sur l'électrode, l'impact sur l'environnement et l'augmentation de la capacité. Laméthode optimale est sélectionné pour l'évaluation électrochimique des tannins et appliquéeà la fabrication d'un supercondensateur. Il semble que le dépôt en milieu acide donne lesrésultats les plus cohérents et elle a été choisie pour poursuivre une analyse électrochimiquedans le chapitre suivant. L'application galvanostatique d'un courant sur l'électrode modifiesa composition chimique de surface et sa porosité, ce qui entraîne une augmentation desperformances de l'électrode. Les électrodes qui ont subi ce processus sont dites activées etsont 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 etBareCP/Ctn) et sur des électrodes activées (AcCP/TA et AcCP/Ctn). Un troisième cas estprésenté lorsque le dépôt et l'activation ont lieu simultanément (AcTACP et AcCtnCP).
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Clara Santato
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3968/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 11 Oct 2019 10:12
Last Modified: 11 Nov 2022 18:59
Cite in APA 7: Lemieux, J. (2019). Propriétés de transfert de charge des tannins pour des applications en stockage d'énergie [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/3968/

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