Caractérisations physico-chimiques

Les résultats provenant des différentes techniques de caractérisation réalisées et de l’étude expérimentale qui vise à analyser les performances électrochimiques des différents échantillons qui ont été décrits dans le chapitre précédent sont présentés et discutés de façon comparative dans ce chapitre. La structure cristalline ainsi que la taille des différents échantillons des nanopoudres tels que préparés ont été étudiées à l’aide d’un diffractomètre à rayons X (DRX, Bruker D8) avec rayonnement Kα de cuivre de longueur d’onde λ = 1,5406Å dans une plage angulaire de 2θ de 10° à 70°. Il apparait que les trois diffractogrammes (Figure 4.1) ont des motifs similaires dont il est possible d’identifier clairement dix pics de diffraction présents dans tous les spectres qui indiquent que les nanoparticules de NiCo2O4@C60/g-C3N4 sont de nature polycristalline. Ainsi, quatre raies dérivées des valeurs 2θ de NiCo2O4 à savoir 18,3°, 36,0°, 43,8° et 54,8° correspondent respectivement aux indices de Miller des plans cristallographiques (221), (311), (400), et (422) et sont approuvés par la carte de base de données JCPDS n° 73-1702, selon une phase cubique. D’après les fichiers JCPDS n° 79-1715 et n° 87-1526, le C60 et le g-C3N4 sont indexés respectivement sur des structures cubique et hexagonales avec le C60 qui présente quatre pics à des valeurs de 27,6°, 29,1°, 35,1° et 57,7°, qui sont attribués aux plans (420), (124), (125) et (048) et le g-C3N4 qui indique deux pics à 12,7° et 26,4° correspondant à (001) et (002). L’étroitesse des pics observés témoigne un haut degré de cristallinité des nanoparticules synthétisées. Par conséquent, ces résultats DRX soutiennent la formation d’un composite NiCo2O4@C60/g- C3N4. Cependant, ils ne permettent donc pas de déterminer la nature de tous les composants. De ce fait une analyse plus approfondie a été menée par la spectroscopie Raman.

Les pics situés à 1311,34, 1516,02 et 2444,0 cm-1 correspondent respectivement aux bandes D, G et 2D confirmant ainsi la formation du g-C3N4 et du C602. La bande G représente le mode vibrationnel symétrique Eg dans la structure graphitique et est attribuée au carbone sp2 alors que la bande D correspond au désordre introduit par les atomes d’azote (N). Les vibrations de SO4Pour mieux illustrer l’effet du temps sur la structure, l’agglomération ainsi que la morphologie, la microscopie électronique à balayage apparait donc comme une alternative complémentaire. Pour cela un microscope électronique à balayage Ultra Plus 55 avec un potentiel de fonctionnement de 2 kV a été utilisé.

Comme nous pouvons le voir, la variation du temps a conduit à un changement significatif de la morphologie. Notamment, à 2h l’échantillon est constitué de particules nanométriques agglomérées quasi-sphériques. Les mêmes formes sont observées à 4h à la seule différence que les nanoparticules sont hautement agglomérées et ont plus de cavités comparées aux autres, ce qui lui confère une capacité spécifique plus importante. Alors que pour NiCo2O4@C60/g-C3N4 @ 8h, la morphologie de surface est complètement différente. Il est observé une structure dense avec une morphologie de surface presque lisse qui pourrait ne pas être favorable à l’amélioration des performances électrochimiques.

Spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDX)

nanoparticules de carbone C60 et g-C3N4 dans la matrice NiCo2O4, mais aussi du soufre (S) provenant du précurseur sulfate de cobalt (CoSO4). Ces atomes sont dispersés de manière homogène et uniformément répartis, pouvant conduire à des propriétés électrochimiques améliorées3. Ceci dit que la variation du temps n’influe pas sur la présence des éléments chimiques dans les échantillons. Les spectres XPS de survol (figure 4.5 (a)) sont identiques et présentent les mêmes éléments chimiques qui sont : Ni, Co, O, C, N et S. Ces résultats sont en parfaite conformité avec ceux d’EDX. Les pourcentages atomiques (figure 4.5 (b)) ont également été estimés à partir de ces spectres. Après l’oxygène, le carbone vient avec, un pourcentage beaucoup plus élevé par rapport aux autres éléments, le carbone provient notamment du C60 et du g-C3N4. Les pourcentages atomiques des éléments ont également révélé la pureté des composites avec 100% de présence d’éléments requis.

Les spectres en haute résolution des orbitales des différents éléments chimiques respectifs (figure 4.6) ont des ressemblances presque parfaites pour les différentes heures de synthèse avec des énergies de liaisons sensiblement égales. Les spectres de l’orbitale Ni 2p, présentent tous deux états d’oxydation4 (2+ (Ni2+) et 3+ (Ni3+)) et un satellite, issus des niveaux d’énergie Ni 2p3/2 et Ni 2p1/2. Les énergies de liaison autour de 855,8, 856 et 856,2 eV sont attribuées au Ni3+ 2p3/2 et celles obtenues aux valeurs 857,6, 858 et 858,2 eV sont associées au Ni2+ 2p3/2. Tandis que celles situées aux alentours de 873,4, 873,4 et 873,6 eV sont associées au Ni3+ 2p1/2 et celles autour de 875,1, 874,9 et 875,8 eV sont attribuées au Ni2+ 2p1/2. Les pics satellites sont présents aux niveaux d’énergie 861,5, 861,7 et 861,7 eV pour 2p3/2 et autour de 880,3, 880,1 et 879,4 pour 2p1/2 eV5 respectivement pour 2h 4h et 8h.