Dispersions de nanoparticules de ferrite spinelle dans les solvants à base de liquides ioniques en vue d'applications thermoélectriques

Dispersions of spinel ferrite nanoparticles in ionic liquid-based solvents in view of thermoelectric applications

• Auteur / Autrice : Ana Alice Andrade meireles guerra
• Direction : Emmanuelle Dubois, Alex Fabiano Cortez campos
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 09/12/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Université de Brasilia
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physicochimie des Électrolytes et Nanosystèmes interfaciaux
• Jury : Président / Présidente : Sophie Cassaignon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuelle Dubois, Alex Fabiano Cortez campos, Darja Lisjak, Alexandre Parize, Leonardo Paterno
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Darja Lisjak, Alexandre Parize

Mots clés

Mots clés libres

Nanoparticules

Colloide

Liquide ionique

Nanoparticles

Colloid

Ionic liquid

Résumé

La demande mondiale d'énergie a augmenté en raison de la croissance démographique et du développement technologique et économique. De plus, la majorité de l'énergie consommée provient encore de sources fossiles et non renouvelables. Cette situation souligne la nécessité d'explorer des solutions énergétiques alternatives, telles que les matériaux thermoélectriques, qui convertissent l'énergie thermique en électricité via l'effet Seebeck. Les dispositifs thermoélectriques offrent plusieurs avantages, notamment leur robustesse, leur fonctionnement silencieux, l'utilisation de sources d'énergie renouvelables et l'absence d'émissions de gaz à effet de serre. Cependant, les matériaux thermoélectriques présentent une faible efficacité, ce qui compromet leur application à grande échelle dans la conversion d'énergie. Des recherches récentes ont montré que les matériaux thermoélectriques composés de ferrofluides présentent des résultats prometteurs pour les applications thermoélectriques. Ainsi, la présente étude vise à améliorer la conversion thermoélectrique en dispersant des nanoparticules magnétiques chargées dans des liquides, en raison de leurs propriétés thermodiffusives et magnétiques. La recherche se concentre sur des nanoparticules magnétiques de type cœur-coquille (CoFe₂O₄@γ-Fe₂O₃) et évalue comment des facteurs tels que la composition, la taille des nanoparticules et le type de ligand influencent les dispersions colloïdales. Ces dispersions sont examinées dans des liquides ioniques purs, notamment l'EMIM TFSI, particulièrement adapté aux applications thermoélectriques, ainsi que dans le carbonate de propylène, un solvant organique polaire avec une viscosité beaucoup plus faible mais des propriétés non ioniques. Des mélanges de ces solvants à différentes fractions molaires sont également étudiés. En outre, l'effet du chauffage lors de la fonctionnalisation de la surface des nanoparticules est étudié afin de déterminer son influence sur l'adsorption des ligands et la lixiviation des nanoparticules. Différentes techniques de caractérisation telles que la diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à transmission (TEM), les mesures magnétiques, la diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) sont utilisées pour évaluer la stabilité des dispersions colloïdales, en mettant l'accent sur leur potentiel pour les applications thermoélectriques. De plus, l'étude examine l'effet du chauffage lors de la fonctionnalisation de la surface des nanoparticules afin de comprendre son influence sur l'adsorption des ligands et la lixiviation des nanoparticules. Diverses techniques de caractérisation, y compris la diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à transmission (TEM), les mesures magnétiques, la diffusion de la lumière dynamique (DLS) et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), sont employées pour évaluer la stabilité des dispersions colloïdales, avec un accent particulier sur leur potentiel pour des applications thermoélectriques. Les résultats de la caractérisation indiquent que les ferrofluides ont été synthétisés avec succès. Pour les ferrofluides dispersés en solution aqueuse avant la fonctionnalisation de surface, il a été constaté que des facteurs tels que la taille des nanoparticules, la fraction volumique, la force ionique, la température et le pH influencent la stabilité des systèmes colloïdaux à travers différents effets. Parmi les ligands testés, le PAC6MIM±Br− s'est révélé être le plus efficace grâce à son groupe phosphonique, conduisant à de petits agrégats de nanoparticules dans l'eau et encore moins dans l'EMIM TFSI. Grâce à un processus de pompage et de chauffage, des dispersions stables ont été obtenues, réduisant les agrégats de nanoparticules dans tous les solvants testés. Le mélange EMIM TFSI/PC avec la conductivité électrique maximale semble être un candidat prometteur pour des études thermoélectriques ultérieures.

The world energy demand has increased due to population growth and technological and economic development. Furthermore, the majority of consumed energy still comes from fossil and non-renewable sources. This situation underscores the need to explore alternative energy solutions, such as thermoelectric materials, which convert thermal energy into electricity via the Seebeck Effect. Thermoelectric devices offer several advantages, including robustness, silent operation, the use of renewable energy sources, and zero greenhouse gas emissions. However, thermoelectric materials present low efficiency, which jeopardizes their applications in large-scale energy conversion. Recent research has shown that thermoelectric materials composed of ferrofluids present promising results for thermoelectric applications. Thus, the current study aims to enhance thermoelectric conversion by dispersing charged magnetic nanoparticles in liquids, due to their thermodiffusive and magnetic properties. The research focuses on core@shell magnetic nanoparticles (CoFe₂O₄@γ-Fe₂O₃) and evaluates how factors like nanoparticle composition, size, and ligand type impact colloidal dispersions. These dispersions are examined in pure ionic liquids, specifically EMIM TFSI, which is particularly suited for thermoelectric applications, as well as in propylene carbonate, a polar organic solvent with much lower viscosity but non-ionic properties. Mixtures of these solvents at varying mole fractions are also studied. Additionally, the effect of heating during NP surface functionalization is investigated to determine its influence on ligand adsorption and NP leaching. Various characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), magnetic measurements, Dynamic Light Scattering (DLS), and small angle X-ray scattering (SAXS) are employed to evaluate colloidal dispersion stability, with a specific focus on their potential for thermoelectric applications. Additionally, the study investigates the effect of heating during nanoparticle surface functionalization to understand its influence on ligand adsorption and nanoparticle leaching. Various characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), magnetic measurements, dynamic light scattering (DLS), and small-angle X-ray scattering (SAXS), are employed to assess the stability of the colloidal dispersions, with a focus on their potential for thermoelectric applications. The characterization results indicate that the ferrofluids were successfully synthesized. For ferrofluids dispersed in aqueous solution before surface functionalization, it was found that factors such as nanoparticle size, volumetric fraction, ionic strength, temperature, and pH interfere in the stability of colloidal systems through different effects. Among the ligands tested, PAC6MIM±Br− proved to be the most effective due to its phosphonic group, leading to small nanoparticle clusters in water and even fewer in EMIM TFSI. Through a pumping and heating process, stable dispersions were achieved, reducing the nanoparticle clusters in all tested solvents. The EMIM TFSI/PC mixture with the maximum electrical conductivity appears to be a promising candidate for further thermoelectric studies.