Thermoélectricité dans des Ferrofluides, Liquides Ioniques et Colloïdes – TE-FLIC

Dans le projet TE-FLIC, nous étudierons des systèmes thermoélectriques basés sur des liquides. C'est un projet de recherche fondamental interdisciplinaire qui combine des concepts et techniques de la physique, de l'électrochimie et de la chimie physique. Le but de TE-FLIC est double. D'abord, nous étudierons expérimentalement un phénomène jusqu'ici inexploré : la thermoélectricité dans des liquides, induite par la diffusion de grandes particules chargées (macro-ions, nano et micro-particules). Puis, nous chercherons à identifier de nouveaux matériaux thermoélectriques liquides qui soient bon marché, fiables et inoffensifs pour l’environnement.

La chaleur perdue (température inférieure à 150°) provenant de l’industrie, de l’activité géothermique, du chauffage solaire, etc., représente une importante source d’énergie durable. En dépit de leurs avantages technologiques : longue durée de vie, absence de pièces mobiles, neutralité pour l’environnement etc., le développement de générateurs thermoélectriques a été freiné par leur faible rendement. Pour surmonter cette barrière technologique, un effort substantiel en recherche fondamentale a été consacré, durant ces dernières années, au contrôle des propriétés de transport par nanostructuration. Une amélioration du rendement a été constatée dans des générateurs thermoélectriques nanostructurés. Toutefois ces systèmes sont limités à de très faibles surfaces actives, ils représentent des coûts de production élevés et souvent contiennent des éléments rares et/ou toxiques. Sous cet aspect, les systèmes thermoélectriques liquides tels que des liquides ioniques et les suspensions colloïdales offrent de nombreux avantages : abondance naturelle, faibles coûts de production.

Notre motivation théorique pour envisager la production d’énergie thermoélectrique dans ces systèmes liquides est simple. Les effets thermoélectriques sont proportionnels à l’entropie transportée par les particules chargées en mouvement. Un effet Seebeck particulièrement important est attendu dans des électrolytes contenant des macro-ions comprenant de nombreux degrés de liberté et une couche de solvation étendue. Des effets thermoélectriques encore plus grands devraient apparaître dans des suspensions colloïdales de nanoparticules chargées (micelles de copolymères, microparticules thermosensibles avec couronne d’hydrogel, ferrofluides avec des particules magnétiques, etc.).
Nous étudierons trois types de liquides : 1) Liquides ioniques purs et mélanges binaires, 2) Suspensions colloïdales aqueuses contenant des microparticules thermosensibles chargées de poly(N-isopropylacrylamide) (NIPAM) et 3) Ferrofluides basés sur des solvants organiques et des liquides ioniques. Nous étudierons leurs propriétés thermoélectriques et de transport. Pour des suspensions colloïdales de particules de NIPAM et de nanoparticules ferromagnétiques (ferrofluides), la diffusion des porteurs de charges sera mesurée, respectivement par microscopie de fluorescence et diffusion de Rayleigh forcée. Dans les ferrofluides, l’application d’un champ magnétique devait augmenter la diffusion des particules magnétiques.

Notre consortium comprend deux partenaires apportant des compétences complémentaires. Le Partenaire 1, SPEC (Service de Physique de l’Etat Condensé, CEA) mesurera les propriétés thermoélectriques et de transport des liquides 1,2 et 3 et observera dans le liquide 2 la thermodiffusion par microscopie de fluorescence. Le Partenaire 2 : PECSA (Laboratoire Physicochimie des Electrolytes, Colloïdes et Sciences Analytiques, UPMC) concevra les ferrofluides adaptés et mesurera leur diffusion thermique par effet Rayleigh. Le but de notre projet est de mettre en évidence les liens entre thermodiffusion et thermoélectricité dans des liquides ioniques et suspensions colloïdales. Cette démonstration expérimentale devrait susciter un renouveau d’intérêt dans les conducteurs liquides, en tant que candidats comme matériaux thermoélectriques.