Stockage d'énergie mécanique dans des matériaux mesoporeux hydrophobes

Energy Storage in hydrophobic mesoporous materials

• Auteur / Autrice : Thomas Marescot
• Direction : Christiane Alba-simionesco
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Léon Brillouin
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Hydrophobicité

Énergie

Intrusion

Eau-solutions

Nano confinement

Intrusion

Hydrophobicity

Nanoscale

Water-solutions

Confinement

Energy

Résumé

Il s'agit d'étudier les processus d'intrusion et d'extrusion d'eau ou de solutions salines dans des matériaux nanoporeux hydrophobes et mettre à profit ces matériaux pour le stockage d'énergie mécanique. L'énergie est stockée par intrusion forcée d'un liquide non mouillant sous pression dans un matériau nanoporeux puis restituée par expulsion du liquide. On peut ainsi convertir de l'énergie hydraulique en énergie interfaciale de manière directe et réversible. La quantité de chaleur échangée dépendra de la taille des pores et de la nature chimique de la surface. Nous avons récemment observé qu'à cette description thermodynamique s'ajoute des propriétés singulières du fluide confiné qui constitue un paramètre de travail supplémentaire. L'objectif de cette thèse serait donc de définir des systèmes pour lesquels on observe un transfert de chaleur rapide (100 secondes à heures) avec une densité de puissance élevée. Il faudra comprendre les mécanismes impliqués dans les processus d'intrusion et d'extrusion à l'échelle nanométrique où les détails moléculaires deviennent importants et optimiser des techniques de fabrication en tenant compte des divers paramètres de contrôle (fluide, poreux, T et P). Parce qu'aujourd'hui pouvoir stocker et transporter l'énergie de manière compacte à bas coût est un enjeu majeur pour notre économie, ces matériaux nanoporeux sont des dispositifs assez prometteurs avec des énergies de l'ordre de 10KJ/Kg et de puissance autour de 100KW/Kg. Il existe déjà plusieurs études dans la littérature, cependant peu se concentrent sur les aspects thermodynamiques et la quantité d'énergie produite/stockée; il s'agit donc ici de quantifier cette énergie, d'établir un diagnostic sur l'efficacité de la méthode et déterminer les situations d'utilisations les plus pertinentes. Ce procédé de stockage d'énergie mécanique sera comparé à d'autres dispositifs existants (supercondensateurs, batteries par exemple), en insistant sur sa densité de puissance élevée dans des conditions d'utilisation plus simples : synthèse et accessibilité des matériaux sans élément critique, grande stabilité chimique, résistance sous pression, reproductibilité et endurance au cyclage.

Our goal is to bring new insights for the design and best use of nanoporous materials for energy applications. We focus on the conversion mechanism of mechanical and interfacial energies observed by high-pressure intrusion-extrusion of liquids, its consequences on the properties of confined liquid, such as water and aqueous solutions and the optimization of these properties for hydrates formation and their storage under hydrophobic confinement conditions. Objectives : The objectives of the thesis are twofold: i- distinguish between the production of mechanical energy, endothermic or exothermic, by high precision calorimetry during the process of water intrusion under pressure into nanoporous materials of adjustable hydrophobicity, based on knowledge of the properties of confined water, that will determined by combining several neutron scattering methods ; ii- act on a limiting factor for the use of hydrates by accelerating their nucleation/growth kinetics through an increased contact between host gas and water, then explore the phase transitions of hydrates and their stability when constrained under the same conditions down to atmospheric pressure. While the i- point has a significant impact on water activity, its role in catalysis and understanding of mechanical energy storage, point ii- should provide new pathways for gas storage and separation applications.