Marcelo Amaro De Andrade

Mardi 7 octobre à 14h00 - Recyclage des adsorbants des eaux usées pour l'applications dans le stockage d'énergie

Résumé :

Cette thèse traite des enjeux environnementaux et énergétiques liés à la pollution des eaux usées par les métaux lourds, en adoptant une approche circulaire qui associe la dépollution et le stockage d’énergie. La revalorisation des adsorbants chargés de métaux en composants actifs pour des dispositifs de stockage électrochimique a été étudiée. Ces matériaux remplissent ainsi un double rôle : purification de l’eau, puis stockage d’énergie, leur offrant une seconde vie. Le défi consiste à dépasser le modèle à usage unique des adsorbants, en intégrant leur fin de vie dans un processus à valeur ajoutée, un lien entre le traitement des polluants et l’application technologique de valorisation des déchets. L’oxyde de graphène réduit (rGO) a été choisi comme adsorbant modèle en raison de ses propriétés compatibles avec les deux fonctions.    Une première preuve de concept a démontré que le rGO saturé en ions Hg²⁺ peut être directement réutilisé comme électrode redox-active, avec une capacité de charge supérieure de plus de 15 % à celle du matériau vierge. L’étude approfondit les mécanismes d’adsorption et de comportement électrochimique par des techniques de caractérisation avancées, incluant l’utilisation de synchrotron. Le concept a ensuite été élargi à d’autres matériaux, comme les MXenes, et à divers cations tels que Cu²⁺ et Pb²⁺. Enfin, des assemblages en cellule complète ont été réalisés à partir de combinaisons d’adsorbants chargés et testés dans différentes électrolytes aqueuses, validant le concept initial d’« énergie à partir des déchets ».

Mots clés : Économie circulaire ; Dépollution des métaux lourds ; Stockage électrochimique d’énergie ; Valorisation des déchets ; Mécanismes d’adsorption ; Matériaux durables

Recycling Wastewater Adsorbents for Energy Storage Applications

Abstract :

This thesis addresses the environmental and energetic challenges posed by heavy metal pollution in wastewater through a circular approach that merges environmental remediation with energy storage. It explores the repurposing of functional materials capable of capturing heavy metal contaminants from water into active components in electrochemical energy storage devices at the end of their lifespans. By doing so, the materials serve a dual role – first in purifying water, and then in storing energy – providing them a second life. The key challenge addressed is to move beyond single-use remediation materials by integrating their disposal into a value-adding process, closing the loop between environmental cleanup and technological utility. Reduced graphene oxide (rGO) was selected as a model adsorbent thanks to its desired characteristics shared between the two domains, such as high surface area, conductivity, and affinity toward heavy metal cations. A first proof-of-concept demonstrated that rGO, after adsorbing Hg²⁺ from aqueous solutions, could be directly reused as a redox-active electrode material, increasing its initial charge capacity by over 15% compared to pristine rGO. This study develops with a mechanistic approach on both cation adsorption and finally electrochemical behaviour using advanced characterization techniques and synchrotron facilities. The concept was expanded to other materials, such as MXenes, and different cations, including Cu²⁺ and Pb²⁺. Finally, hybrid full-cell assemblies using combinations of adsorbents with various metals were constructed and tested in multiple aqueous electrolytes, proving the initial “Energy from Garbage” concept.

Keywords : Circular Economy, Heavy Metals, Electrochemical Energy Storage, Waste Valorization, Adsorption, Sustainable Materials