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 01/09/2021
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Nanoparticules

Colloide

Liquide ionique

Nanoparticles

Colloid

Ionic liquid

Résumé

Cette étude est liée au contexte énergétique, plus précisément à l'objectif de récupération de la chaleur perdue en profitant des gradients thermiques, omniprésents sur terre. Sur des dispersions colloïdales, de tels gradients induisent à la fois l'effet Ludwig Soret (thermodiffusion) et des gradients de champ électrique par l'effet Seebeck (thermoélectricité) lorsque des espèces chargées électrostatiquement sont présentes. La thermoélectricité est actuellement utilisée avec des matériaux solides, cependant dans peu d'applications en raison de plusieurs obstacles parmi lesquels les coûts de production. Elle a peu été étudiée dans les liquides, une nouvelle direction qui représente une opportunité prometteuse pour la récupération de la chaleur perdue dans le monde. Parmi les liquides, les fluides complexes composés d'objets mobiles chargés devraient présenter des coefficients Seebeck plus élevés et les cellules thermoélectrochimiques à base de liquide attirent donc une attention croissante ces dernières années en tant qu'alternative bon marché et évolutive [1-3]. L'une des principales tâches dans ce contexte est la conception et l'étude de fluides complexes, qui doivent être électriquement conducteurs, contenir des nanoparticules chargées, tout en étant stables à long terme et avec les espèces redox ajoutées nécessaires à la thermoélectricité, ainsi que stables sur une large gamme de températures. Parmi les nanoparticules, les oxydes à base de fer sont très attractifs grâce à leurs nombreuses propriétés, notamment magnétiques [4]. Ils confèrent au fluide des propriétés uniques et une réponse qui peut être modifiée sous champ magnétique et devient anisotrope. De telles dispersions dans les liquides peuvent être obtenues en adaptant l'interface solide/liquide : cette interface peut être modifiée dans l'eau en changeant la nature du revêtement (groupes hydroxyles, citrate, polymères..), le signe et la valeur de la charge de surface des NPs, ainsi que la nature des contre-ions qui compensent cette charge. Ces derniers sont en effet capables de révolutionner les propriétés colloïdales des NPs, en changeant par exemple la direction de thermodiffusion des NPs (vers la région chaude avec le sodium et vers les régions froides avec le tétraméthylammonium pour les NPs enrobées de citrate dans l'eau !) [5]. Ils contrôlent également la capacité à disperser ces NPs dans les liquides ioniques et la structure colloïdale des dispersions [6]. Le travail se concentrera ici sur les dispersions d'oxydes mixtes métal/fer dans des liquides ioniques purs et dans leurs mélanges avec des solvants, par exemple le carbonate de propylène. De tels mélanges permettraient de contourner plusieurs faiblesses des liquides ioniques purs, par exemple la viscosité, mais il s'agit d'une voie peu explorée jusqu'à présent, ouvrant de nouvelles questions. Comme dans les dernières études réalisées sur les oxydes de fer [6], les particules seront synthétisées dans l'eau, où l'interface peut être contrôlée et transférée dans le nouveau solvant sans séchage. Il sera nécessaire de choisir et de tester plusieurs espèces interfaciales, et d'explorer l'influence de la nature des oxydes, de la taille des nanoparticules et de leurs propriétés magnétiques. Dans un second temps, les dispersions produites seront analysées en couplant plusieurs méthodes parmi lesquelles la diffusion dynamique de la lumière, la diffusion des rayons X aux petits angles, les mesures de biréfringence spécifique et l'analyse thermogravimétrique. En parallèle, dans le cadre du projet, la thermophorèse/thermodiffusion (effet Soret) et la thermoélectricité (effet Seebeck) seront déterminées soit en laboratoire soit par les partenaires du projet, dans le but de relier l'efficacité de la conversion d'énergie thermoélectrique aux détails des dispersions et de comprendre les paramètres clés pour améliorer cette efficacité. Ce sujet fait partie du projet CAPES-COFECUB Ph959/20 entre la France (PHENIX, UMR 8234) et le Brésil (UnB, Brasilia) intitulé 'Thermodiffusion in ionic magnetic liquids ofr thermoelectric applications'. [1] S. Uhl, E. Laux, T. Journot, L. Jeandupeux, J. Charmet and H. Keppner, Development of Flexible Micro-Thermo- electrochemical Generators Based on Ionic Liquids, J. Electron. Mater., 43, 3758–3764, 2014 [2] M. A. Lazar, D. Al-Masri, D. R. MacFarlane and J. M. Pringle, Enhanced thermal energy harvesting performance of a cobalt redox couple in ionic liquid–solvent mixtures, Phys. Chem. Chem. Phys., 18, 1404–1410, 2016 [3] L. Zhang, T. Kim, N. Li, T. J. Kang, J. Chen, J. M. Pringle, M. Zhang, A. H. Kazim, S. Fang and C. Haines, et al., HIgh power density electrochemical thermocells for inexpensively harvesting low-grade thermal energy, Adv. Mater., issue 29, 1605652, 2017 [4] X. Liu, Z. Zhong, Y. Tang, B. Liang, Review on the Synthesis and Applications of Fe3O4 Nanomaterials, Journal of Nanomaterials, Article ID 902538, Volume 2013 [5] Kouyaté, M.; Filomeno, C. L.; Demouchy, G.; Mériguet, G.; Nakamae, S.; Peyre, V.; Roger, M.; Cēbers, A.; Depeyrot, J.; Dubois, E.; Perzynski, R. Thermodiffusion of Citrate-Coated γ-Fe 2 O 3 Nanoparticles in Aqueous Dispersions with Tuned Counter-Ions – Anisotropy of the Soret Coefficient under a Magnetic Field. Physical Chemistry Chemical Physics 2019, 21 (4), 1895–1903 [6] Riedl, J. C.; Akhavan Kazemi, M. A.; Cousin, F.; Dubois, E.; Fantini, S.; Loïs, S.; Perzynski, R.; Peyre, V. Colloidal Dispersions of Oxide Nanoparticles in Ionic Liquids: Elucidating the Key Parameters. Nanoscale Advances 2020, 2 (4), 1560.

This study is linked to the energy context, more precisely to the objective of waste heat recovery taking advantage of thermal gradients, ubiquitous on earth. On colloidal dispersions, such gradients induce both Ludwig Soret effect (thermodiffusion) and electric field gradients through the Seebeck effect (thermoelectricity) when electrostatically charged species are present. Thermoelectricity is currently used with solid materials, however in few applications due to several obstacles among which productions costs. It has scarcely been studied in liquids, a new direction which is a promising opportunity for the recovery of waste-heat in the world. Among liquids, complex fluids composed of charged moving objects are expected to show higher Seebeck coefficients and liquid-based thermoelectrochemical cells are therefore attracting increasing attention these last years as a cheap and scalable alternative [1-3]. One of the major task in this context is the design and study of the complex fluids, which should be electrically conductive, contain charged nanoparticles, while being stable in the long run and with the added redox species necessary for thermoelectricity, as well as stable on a large range of temperatures. Among nanoparticles, iron based oxides are very attractive thanks to their numerous properties, especially magnetic ones [4]. They endow the fluid with unique properties and a response that can be modified under magnetic field and becomes anisotropic. Such dispersions in liquids can be obtained by tuning the solid/liquid interface: this interface can be modified in water changing the nature of the coating (hydroxyl groups, citrate, polymers..), the sign and value of the surface charge of the NPs, as well as the nature of the counterions that compensate this charge. These latter are indeed capable of revolutionizing the colloidal properties of the NPs, for example changing the direction of thermodiffusion of the NPs (towards hot region with sodium and towards cold regions with tetramethylammonium for citrate-coated NPs in water!) [5]. They also control the ability to disperse such NPs in ionic liquids and the colloidal structure of the dispersions [6]. The work will be focused here on the dispersions of mixed metal/iron oxides in pure ionic liquids and in their mixtures with solvents, for example propylene carbonate. Such mixtures would bypass several weaknesses of the pure ionic liquids, for example viscosity, however this is a track little explored until now, opening new questions. As in the last performed studies on iron oxides [6], the particles will be synthesized in water, where the interface can be controlled and transferred to the new solvent without drying. It will be necessary to choose and test several interfacial species, and to explore the influence of the nature of the oxides, of the size of the nanoparticles and of their magnetic properties. In a second step, the produced dispersions will be analyzed by coupling several methods among which Dynamic Light Scattering, Small Angle X-Ray Scattering, specific birefringence measurements and Thermogravimetric Analysis. In parallel, in the frame of the project, the thermophoresis/thermodiffusion (Soret effect) and thermoelectricity (Seebeck effect) will be determined either in the laboratory or by the partners in the project, with the aim to link the thermoelectric energy conversion efficiency to the details of the dispersions and to understand the key parameters to improve this efficiency. This subject if part of the project CAPES-COFECUB Ph959/20 between France (PHENIX, UMR 8234) and Brasil (UnB, Brasilia) entitled “Thermodiffusion in ionic magnetic liquids ofr thermoelectric applications”. [1] S. Uhl, E. Laux, T. Journot, L. Jeandupeux, J. Charmet and H. Keppner, Development of Flexible Micro-Thermo- electrochemical Generators Based on Ionic Liquids, J. Electron. Mater., 43, 3758–3764, 2014 [2] M. A. Lazar, D. Al-Masri, D. R. MacFarlane and J. M. Pringle, Enhanced thermal energy harvesting performance of a cobalt redox couple in ionic liquid–solvent mixtures, Phys. Chem. Chem. Phys., 18, 1404–1410, 2016 [3] L. Zhang, T. Kim, N. Li, T. J. Kang, J. Chen, J. M. Pringle, M. Zhang, A. H. Kazim, S. Fang and C. Haines, et al., HIgh power density electrochemical thermocells for inexpensively harvesting low-grade thermal energy, Adv. Mater., issue 29, 1605652, 2017 [4] X. Liu, Z. Zhong, Y. Tang, B. Liang, Review on the Synthesis and Applications of Fe3O4 Nanomaterials, Journal of Nanomaterials, Article ID 902538, Volume 2013 [5] Kouyaté, M.; Filomeno, C. L.; Demouchy, G.; Mériguet, G.; Nakamae, S.; Peyre, V.; Roger, M.; Cēbers, A.; Depeyrot, J.; Dubois, E.; Perzynski, R. Thermodiffusion of Citrate-Coated γ-Fe 2 O 3 Nanoparticles in Aqueous Dispersions with Tuned Counter-Ions – Anisotropy of the Soret Coefficient under a Magnetic Field. Physical Chemistry Chemical Physics 2019, 21 (4), 1895–1903 [6] Riedl, J. C.; Akhavan Kazemi, M. A.; Cousin, F.; Dubois, E.; Fantini, S.; Loïs, S.; Perzynski, R.; Peyre, V. Colloidal Dispersions of Oxide Nanoparticles in Ionic Liquids: Elucidating the Key Parameters. Nanoscale Advances 2020, 2 (4), 1560.