| Centre
Paris-Saclay
| | | | | | | webmail : intra-extra| Accès VPN| Accès IST | English
Univ. Paris-Saclay

Sujet de stage / Master 2 Internship

Retour à la liste des stages


Effet thermogalvanique dans les liquides ioniques : étude de nouveaux systèmes redox

Spécialité : / CHIMIE

Contact : NAKAMAE Sawako,
e-Mail : sawako.nakamae@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 75 38/93 07
Laboratoire : SPEC/SPHYNX

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-5 mois
Date limite de constitution de dossier : 29/02/2024

Résumé :
Pour ce stage, nous proposons une étude expérimentale sur le comportement chimique et redox des espèces de métaux de transition (Fe, Cu et Ce) dans les liquides ioniques et les mélanges à travers diverses mesures paramétriques en fonction de la température et des compositions chimiques. Les résultats obtenus seront comparés aux simulations numériques afin de déchiffrer les mécanismes électrochimiques sous-jacents de la conversion de l'énergie thermoélectrique dans les liquides ioniques, avec pour objectif à long terme de démontrer le potentiel des cellules thermo-électrochimiques (TEC) liquides basées sur des matériaux abordables, abondants et sûrs pour la collecte de la chaleur résiduelle.

Sujet détaillé :
La thermoélectricité, c'est-à-dire la capacité d'un matériau à convertir la chaleur en énergie électrique, est connue dans les liquides depuis de nombreuses décennies. Contrairement aux solides, ce processus de conversion dans les liquides prend plusieurs formes, notamment les réactions d'oxydoréduction, la thermodiffusion d'espèces chargées et la formation, en fonction de la température, d'une double couche électrique au niveau des électrodes. Les valeurs observées du coefficient Seebeck (Se = - ΔV/ΔT, le rapport entre la tension induite (ΔV) et la différence de température appliquée (ΔT)) sont généralement supérieures à 1 mV/K, soit un ordre de grandeur plus élevé que dans les solides. Le premier exemple fonctionnel de générateur thermoélectrochimique (TEC) à base de liquide a été rapporté en 1986 en utilisant le couple redox Fe(CN)63-/4- dans l'eau. Cependant, en raison de la faible conductivité ionique des liquides, l'efficacité de conversion était très faible, ce qui empêchait leur utilisation dans des applications de récupération de chaleur résiduelle à basse température. Les perspectives des générateurs TEC liquides se sont améliorées au cours de la dernière décennie avec le développement des liquides ioniques ( LI). Les LI sont des sels fondus qui sont liquides à une température inférieure à 100 °C. Par rapport aux liquides classiques, ils présentent de nombreuses caractéristiques favorables telles que des points d'ébullition élevés, une faible pression de vapeur, une conductivité ionique élevée et une faible conductivité thermique accompagnée de valeurs Se plus élevées.

Plus récemment, une étude expérimentale menée par IJCLab et SPEC (CEA-Saclay) a révélé que la complexation de couples redox de métaux de transition dans des liquides ioniques permet de multiplier par plus de trois leur coefficient Se, qui passe de -1,6 à -5,7 mV/K, l'une des valeurs les plus élevées rapportées dans les cellules TEC à base d'LI. Une compréhension claire et un contrôle précis de la spéciation des ions métalliques constituent donc une porte d'entrée pour la conception rationnelle des futurs liquides TEC. Sur la base de ces récentes découvertes, nous proposons une étude expérimentale sur la chimie des ions redox des métaux de transition dans les LI et les mélanges. Un objectif à long terme associé au présent projet est de démontrer le potentiel d'application des cellules TEC liquides basées sur des matériaux abordables, abondants et sûrs pour la récolte d'énergie thermique en tant qu'outil d'efficacité énergétique.

Pour relever les défis susmentionnés (à la fois fondamentaux et technologiques), nous proposons une étude paramétrique du comportement chimique et redox des espèces métalliques (Fe, Cu et Ce) dans les LIs en fonction de la température et de la composition de la solution (ligands, différents types d'LIs et leurs mélanges). Une étude de spéciation sur les interactions des ions métalliques avec des ligands inorganiques et organiques simples dans les LIs sera réalisée par diverses méthodes électrochimiques et spectrophotométriques. Ces mélanges LI/redox feront l'objet d'une caractérisation thermogalvanique systématique (coefficient Se en circuit ouvert et mesures de puissance). Les résultats combinés constitueront un ensemble de données révélant la relation entre les descripteurs physico-chimiques (potentiel redox et constantes de stabilité des complexes métalliques) des combinaisons LI/redox et leurs propriétés thermoélectriques, qui seront comparées aux études de simulation numérique (ne faisant pas partie du projet de stage) réalisées par le groupe IJCLab. Ensemble, nous visons à déchiffrer les mécanismes électrochimiques sous-jacents de la conversion de l'énergie thermoélectrique dans les LI et, simultanément, à identifier les matériaux les plus viables d'un point de vue socio-économique pour leur développement futur.

Le programme de stage est établi pour une période de 5 mois, mais peut être ajusté en fonction des exigences du programme de master du candidat. Après une brève introduction au contexte théorique et à la littérature existante dans les domaines de recherche connexes, l'étudiant entreprendra d'abord les tâches électrochimiques à l'IJCLab. Il s'agit de la tâche 1) Spéciation des ions métalliques (Fe, Cu et/ou Ce) dans les LI en fonction de la température et de la teneur en ligands (ions halogénés, dicyanamide et/ou sulfobétaine) ; et de la tâche 2) Propriétés redox des complexes de métaux de transition en fonction de la température et de la composition de la solution. Le composé 1-éthyl-3-méthylimidazolium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide (EMIM.TFSI) est d'abord considéré comme l'LI le plus stable connu pour posséder un coefficient Se élevé (avec les sels de Co), mais d'autres liquides ioniques seront également pris en compte. Une fois l'étape de spéciation réalisée, les échantillons de liquide seront testés pour leurs propriétés thermoélectriques au SPEC (Tâche 3). Ces résultats seront comparés à la caractérisation électrochimique (tâche 2) et aux simulations numériques (ne faisant pas partie du stage) d'IJCLab. En fonction de l'avancement du programme, des caractérisations supplémentaires (par exemple, électrophorèse capillaire d'affinité, IJCLab) peuvent être envisagées.

Le financement d'une thèse de doctorat sur ce sujet est disponible.
Techniques utilisées au cours du stage :
Profil du candidat : Le candidat doit être inscrit à un programme de maîtrise en chimie (physique, analytique ou inorganique) ou en physique (spécialisation en thermodynamique ou en sciences de l'énergie). Une double spécialisation en chimie/physique sera très appréciée. Le poste requiert de solides connaissances en chimie des solutions, en méthodes de caractérisation physico-chimique, en thermodynamique et/ou en énergies renouvelables. De bonnes aptitudes à la communication orale et écrite ainsi que des compétences en matière d'analyse de données sont également requises. Nous recherchons des candidats ayant une forte motivation et curiosité pour les phénomènes énergétiques électrochimiques et thermoélectriques, l'autonomie et la capacité de travailler en équipe dans un projet hautement interdisciplinaire et collaboratif.

Mots clés : Chimie des solutions, électrochimie, thermodynamique

Lien vers le laboratoire
Lien vers la page du tuteur

 

Retour en haut