Thermoélectricité dans les solvants, liquides ioniques et ferrofluides

Thermoelectricity in solvents, ionic liquids and ferrofluids

• Auteur / Autrice : Michel Beaughon
• Direction : Sawako Nakamae
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Souad Ammar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jorge García-Cañadas, David Lacroix, Veronika Zinovyeva, Jakub Drnec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jorge García-Cañadas, David Lacroix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique hors équilibre

Monte-Carlo, Méthode de

Oxydoréduction

Mots clés libres

Coefficient Seebeck

Thermoélectricité

Liquides ioniques

Ferrofluides

Entropie standard de réaction

Entropie de transfert

Seebeck coefficient

Thermoelectricity

Ionic liquids

Ferrofluids

Standard entropy of reaction

Entropy of transfert

Résumé

Pouvoir récupérer la chaleur perdue et la transformer en énergie exploitable est devenu un enjeu primordial pour relever le défi énergétique. Il n’existe pas aujourd’hui de technologie efficace pour convertir les faibles énergies thermiques perdues en électricité. De plus, les dispositifs conventionnels tels que les semi-conducteurs thermoélectriques sont limités par leurs coûts importants, leur faible densité de puissance et la présence de matériaux toxiques. Des dispositifs alternatifs basés sur des cellules thermoélectrochimiques liquides ont récemment montré des résultats prometteurs.Ce travail étudie le comportement de couples rédox dissous en solution (solvants organiques, liquides ioniques et leurs mélanges) soumis à un gradient de température. Du fait de la dépendance du potentiel rédox avec la température, deux électrodes à des températures différentes induisent une tension proportionnelle au coefficient thermoélectrique (ou Seebeck) de l’électrolyte. La couche de solvatation joue un rôle clé dans le coefficient Seebeck d’ions métalliques comme le Co(bpy)3+/2+ (allant de 1mV/K jusqu’à 3mV/K selon le solvant). Quand une charge résistive est connectée aux deux électrodes, nous étudions le courant ainsi induit.Dans des suspensions colloïdales telles que des ferrofluides, la présence de nanoparticules modifie le coefficient Seebeck de la solution du fait de leur importante entropie de transfert d’Eastman grâce à l’effet de thermodiffusion (ou effet Soret). Nous étudions les propriétés thermoélectriques de ferrofluides basés sur des nanoparticules de maghémite en suspension dans un liquide ionique. En fonction de leur traitement de surface, et donc des interactions avec leur environnement ionique, le coefficient Seebeck et la puissance peuvent augmenter ou diminuer. De plus, des observations expérimentales suggèrent l’apparition d’une adsorption de nanoparticules à la surface d’électrode qui affecte également les propriétés thermoélectriques de ces solutions. Cet effet est étudié expérimentalement par réflectivité des rayons X.Dans les liquides ioniques, en l’absence de couple rédox et de réactions électrochimiques à l’interface électrode/électrolyte, un gradient de température peut induire une double couche ionique et ainsi former un supercondensateur. Nous étudions de tels supercondensateurs en comparant des résultats expérimentaux et une simulation de Monte-Carlo.

In the context of energy consumption control, waste heat harvesting has become a huge challenge. There is currently no efficient technology to convert low-grade thermal energy into electricity. Furthermore, low power densities, high costs and the presence of toxic materials limit the use of conventional technologies such has solid-state thermoelectric devices. Alternative devices based on liquid thermoelectrochemical cells have recently shown interesting perspectives.This work studies the behaviour of redox couples dissolved in solvents (such as organic solvents, ionic liquids and their mixtures) and exposed to a thermal gradient. Because of the redox potential dependence with the temperature, two electrodes at different temperatures induce a voltage proportional to the thermoelectric (or Seebeck) coefficient of the electrolyte. The solvation shell plays an important role in the Seebeck coefficient of transition metal ions such as Co(bpy)3+/2+ (from 1mV/K to 3mV/K). When a load was connected to the two sides of a thermoelectric cell, we investigated the current thus induced.In colloidal suspensions such as ferrofluids, the Seebeck coefficient of the solution is known to depend on the presence of nanoparticles due to their high Eastman entropy of transfer through the thermoelectro-diffusion effect (modified Soret effect). We studied the thermoelectric properties of newly developed ionic-liquid based ferrofluids (maghemite nanoparticles). Depending on the surface conditioning of the particles, and thus the interaction entropy between the particle and the surrounding solvent, both Seebeck coefficient and the power-output of thermoelectrical cells can be tuned to either increase or decrease. Furthermore, the experimental observations suggest a concentration-dependent nanoparticle adsorption at the electrodes surface that also affect the thermoelectric properties of these solutions. Such effect is explored experimentally using x-ray reflectivity.In ionic liquids, without redox couples and electrochemical reactions at electrode/electrolyte surface, a temperature gradient induces ionic double-layers and form thermally chargeable supercapacitors. We studied such supercapacitors by comparing experimental results with a Monte-Carlo simulation.