Dispersions of nanomagnets in ionic liquids for thermoelectric applications - PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Dispersions of nanomagnets in ionic liquids for thermoelectric applications

Dispersions de nano-aimants dans des liquides ioniques pour des applications thermoélectriques

Résumé

Thermoelectricity (TE) allows for the conversion of heat to electricity providing one possible methodology for the recycling of low-grade waste heat. Despite improvements, present thermoelectric solid materials have several limitations. Therefore, investigations of complex liquids (e.g. ionic liquids or nanofluids) have been proposed in recent years. This work presents the elaboration of novel ionic–liquid based magnetic complex fluids for such applications. Ionic liquids are a broad class of liquids, that consist solely of ions, and can be liquid at room temperature, with many properties ideal for thermoelectric materials. In addition, recent studies on aqueous nanoparticle dispersions have demonstrated that the addition of magnetic nanoparticles (nanomagnets) can influence the thermoelectric coefficient and enhance the liquid’s thermoelectric efficiency. It is here thus proposed to combine the two avenues by using dispersions of nanomagnets in ionic liquids for thermoelectric applications. In former studies, using ethylammonium nitrate (EAN) as ionic liquid, it was shown that colloidal stability was controlled by the solid-liquid interface. This finding was here extended to a broad range of ionic liquids with different sets of cations and anions, defining general trends and principles for colloidal stability in ionic liquids at room temperature. To obtain ionic liquid-based colloids, it is necessary to control the surface charge of the nanoparticles, the nature of charged surface groups and molecules producing this superficial charge, the nature of the counterions compensating this charge, and the route of transfer from water (the synthesis medium for the nanoparticles) to the ionic liquid. In a second step colloidal stability was studied in the temperature range of target thermoelectric devices (20-200◦C) for different counterions and nanoparticle concentrations. Even if the temperature stability of ionic liquids is one of their advantages over molecular liquids such a temperature study has not been addressed yet. Indeed, some of the dispersions keep their stability up to 200◦C. In this case, thermodiffusion, a property closely related to thermoelectricity, was measured. Optical microscopy, transmission electron microscopy (TEM), magnetic measurements, FAAS and ICP-MS were performed at room temperature whereas Dynamic Light Scattering (DLS), forced Rayleigh scattering (FRS) and small angle x-ray/neutron scattering (SAXS/SANS) together with thermogravimetric analysis (TGA) were used to analyse the ionic liquid-based nanoparticle dispersion behaviour with temperature.
La thermoélectricité (TE) permet la conversion de la chaleur en électricité, fournissant une méthode possible pour le recyclage de la chaleur fatale. Malgré les améliorations, les matériaux solides thermoélectriques actuels présentent plusieurs limitations. Par conséquent, des études sur des liquides complexes (par exemple des liquides ioniques ou des nanofluides) ont été proposées ces dernières années. Ce travail présente l’élaboration de nouveaux fluides complexes magnétiques à base de liquides ioniques pour de telles applications. Les liquides ioniques sont une large classe de liquides, constitués uniquement d’ions, et peuvent être liquides à température ambiante, avec de nombreuses propriétés idéales pour les matériaux thermoélectriques. En outre, des études récentes sur les dispersions aqueuses de nanoparticules ont démontré que l’ajout de nanoparticules magnétiques (nanomagnets) peut influencer le coefficient thermoélectrique et améliorer l’efficacité thermoélectrique du liquide. Il est ainsi proposé ici de combiner les deux voies en utilisant des dispersions de nano-aimants dans des liquides ioniques pour des applications thermoélectriques. Dans des études antérieures, utilisant du nitrate d’éthylammonium (NEA) comme liquide ionique, il a été montré que la stabilité colloïdale était contrôlée par l’interface solide-liquide. Cette découverte a été étendue ici à une large gamme de liquides ioniques avec différents ensembles de cations et d’anions, définissant les tendances générales et les principes de stabilité colloïdale dans les liquides ioniques à température ambiante. Pour obtenir des colloïdes à base de liquide ioniques, il est nécessaire de contrôler la charge de surface des nanoparticules, la nature des groupes de surface chargés et des molécules produisant cette charge superficielle, la nature des contre-ions compensant cette charge, et la voie de transfert depuis l’eau (le milieu de synthèse des nanoparticules) au liquide ionique. Dans une deuxième étape, la stabilité colloïdale a été étudiée dans la gamme de température des dispositifs thermoélectriques cibles (20-200° C) pour différents contre-ions et concentrations de nanoparticules. Même si la stabilité en température des liquides ioniques est l’un de leurs avantages par rapport aux liquides moléculaires, une telle étude de température n’a pas encore été abordée. En effet, certaines des dispersions conservent leur stabilité jusqu’à 200 ° C. Dans ce cas, la thermodiffusion, propriété étroitement liée à la thermoélectricité, a été mesurée. La microscopie optique, la microscopie électronique à transmission (MET), les mesures magnétiques, FAAS et ICP-MS ont été effectuées à température ambiante tandis que la diffusion dynamique de la lumière (DLS), la diffusion forcée de Rayleigh (FRS) et la diffusion des rayons X / neutrons aux petits angles (SAXS / SANS) ainsi qu’une analyse thermogravimétrique (TGA) ont été utilisées pour analyser le comportement avec la température de dispersion des nanoparticules à base de liquide ioniques.
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Dates et versions

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Identifiants

  • HAL Id : tel-04002091 , version 1

Citer

Jesse Riedl. Dispersions of nanomagnets in ionic liquids for thermoelectric applications. Theoretical and/or physical chemistry. Sorbonne Université, 2020. English. ⟨NNT : 2020SORUS468⟩. ⟨tel-04002091⟩
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