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Etude et élaboration de nanofils de silicium par voie chimique pour application supercondensateur
(Université M'hamad Bougara : Faculté des Sciences, 2021) Bencheikh, Yasmina; Hadjersi, Toufik (Directeur de thèse)
Le développement croissant des petits appareils électroniques nécessite de composants de stockage d’énergie de plus en plus petits et performants en l’occurrence les micro-supercondensateurs ou les condensateurs électrochimiques (CE), qui peuvent assurer leurs fonctionnements autonomes. Dans cette thèse on s’est intéressé à la fabrication de ce type de composant à base de nanofils de silicium (NFSis). Dans la première partie, nous avons fabriqué des réseaux de nanofils de silicium revêtus par une couche mince de TiO 2 par des processus simples et efficaces. Les réseaux de nanofils de silicium sont produits par gravure chimique assistée par un métal du silicium cristallin dans une solution aqueuse d’HF/AgNO 3 . Ensuite, le dépôt de couche atomique a été utilisé comme moyen pour recouvrir ces nanofils d'un film minces de TiO 2 (20 nm). Les échantillons de TiO 2 /NFSis ont ensuite été soumis à un recuit à 400°C sous une atmosphère hydrogénée pendant 4 heures et testés comme matériaux d'électrode (H-TiO 2 /NFSis) dans des microsupercondensateurs. Les propriétés électrochimiques de l'électrode H-TiO 2 /NFSis élaborée ont été évaluées dans une solution électrolytique aqueuse de Na 2 SO 4 à 1 M de concentration et révèlent que la capacité spécifique a été multipliée par un facteur de six par rapport à celle de l'électrode TiO 2 /NFSis non recuite et par 20 fois par rapport à celle de l'électrode NFSis sans modification dans mêmes conditions de travail. Il est important de noter que les H-TiO 2 /NFSis ont également montré une grande stabilité sur 30 000 cycles de charge-décharge galvanostatique à 0,1 mA /cm 2 avec une diminution de 19% de la capacité initiale. Le traitement hydrogéné a augmenté la densité du groupe hydroxyle et la densité de porteurs à la surface du TiO 2 , améliorant ainsi les propriétés capacitives des H-TiO 2 /NFSis. De plus, nous avons également démontré que l'électrode H-TiO 2 /NFSis est un bon support pour déposer une autre couche mince de MoS 2 avec la méthode hydrothermale. Les électrodes préparées ont atteint une bonne capacité spécifique de 25,45 mF/cm 2 à une vitesse de balayage de 100 mV/ s avec une diminution remarquable (0,12V) de la chute de potentiel (IR) indiquant une petite résistance série équivalente dans l'électrode H-TiO 2 /NFSis comparée à celle de l'électrode TiO 2 /NFSis non hydrogénée. La seconde partie est dédiée à l’élaboration d’une électrode de nanofils de silicium décorés de nanoparticules de ruthénium (Ru/NFSis). Les NFSis sont obtenus par la méthode de croissance vapeur-liquide-solide (VLS), tandis qu'un simple procédé chimique est utilisé pour déposer les nanoparticules de Ruthènium. Alors que la nanostructuration du silicium permet d'augmenter la surface, le revêtement avec des NPs de Ru introduit une pseudo-capacité nécessaire pour atteindre des densités d'énergie et de puissance élevées. Le micro-supercondensateur Ru/NFSis présente une capacité spécifique de 36,25 mF/cm 2 à une densité de courant de 1mA/cm 2 dans un électrolyte aqueux de Na 2 SO 4 et une grande stabilité à travers 25000 cycles de charge-décharge galvanostatique pour une densité de courant de 1mA/cm 2 . Un supercondensateur à l'état solide est ensuite fabriqué avec des électrodes symétriques séparées par un électrolyte d'alcool polyvinylique/acide sulfurique. Le dispositif présente une capacité spécifique de ~18 mF/cm 2 à une densité de courant de 1 mA/cm et une densité de puissance de 0,5 mW/cm 2 . Ce dispositif de nanofils à l'état solide présente également une bonne stabilité sur un test de 10000 cycles de charge-décharge.
High performance silicon nanowires/ruthenium nanoparticles micro-supercapacitors
(Elsevier, 2019) Bencheikh, Yasmina; Harnois, Maxime; Jijie, Roxana; Addad, Ahmed; Roussel, Pascal; Szunerits, Sabine; Hadjersi, Toufik; Abaidia, Seddik-El-Hak; Boukherroub, Rabah
The continuous increase of small electronic devices calls for small energy storage components, commonly known as micro-supercapacitors, that can ensure autonomous operation of these devices. In this work, we propose a simple and straightforward method to achieve high energy and power densities of a silicon-based micro-supercapacitor, consisting of silicon nanowires decorated with ruthenium nanoparticles (Ru/Si NWs). The Si NWs are obtained through the common vapor-liquid-solid (VLS) growth mechanism, while a simple electroless process is used to deposit Ru nanoparticles. While silicon nanostructuration allows to increase the surface area, coating with Ru NPs introduces a pseudocapacitance necessary to attain high energy and power densities. The Ru/Si NWs micro-supercapacitor exhibits a specific capacitance of 36.25 mF cm−2 at a current density of 1 mA cm−2 in a neutral Na2SO4 electrolyte and a high stability over 25 000 cycles under galvanostatic charge-discharge at 1 mA cm−2. A solid state supercapacitor is then fabricated with symmetric electrodes separated by a polyvinyl alcohol/sulfuric acid electrolyte. The device displays a specific capacitance of ∼18 mF cm−2 at a current density of 1 mA cm−2 and a specific power density 0.5 mW cm−2. This solid-state nanowire device also exhibits a good stability over 10 000 galvanostatic charge-discharge cycles
Silicon nanowire-hydrogenated TiO2 core-shell arrays for stable electrochemical micro-capacitors
(Elsevier, 2021) Bencheikh, Yasmina; Addad, Ahmed; Coffinier, Yannick; Kumar, Umesh; Roussel, Pascal; Szunerits, Sabine; Hadjersi, Toufik; Amin, Mohammed A.; Abaidia, Seddik-El-Hak; Boukherroub, Rabah
In this paper, we fabricated silicon nanowire-TiO2 core-shell arrays in a two-step process. First, silicon nanowire arrays (SiNW) were prepared in HF/AgNO3 aqueous solution using metal-assisted chemical etching of bulk silicon. Then, atomic layer deposition (ALD) technique was applied to coat a 20 nm thin shell TiO2 film. The TiO2/SiNW substrates were afterward annealed at 400°C in hydrogen atmosphere for 4 h and tested as electrode materials for electrochemical micro-capacitors. The electrochemical features of the constructed H−TiO2/SiNW electrode were assessed in an aqueous 1 M Na2SO4 electrolyte solution and revealed that the specific capacitance increased six times compared to non-annealed TiO2/SiNW and 20-fold compared to a reference SiNW electrode under the same operating conditions. Importantly, H−TiO2/SiNW also displayed a high stability over 30,000 cycles at 0.1 mA cm−2 with an overall decrease of 19% of the initial capacitance. The hydrogen treatment increased the density of hydroxyl group and enhanced the carrier density on TiO2 surface improving the capacitive properties of H−TiO2/SiNW