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

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