Ferrofluids and carbon nanodots as examples of multifunctional nanomaterials for energy conversion
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Sorbonne universitéDisciplines:
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Abstract EN:
Material science has been gathering worldwide attention due to its broad range of applications and solutions to current global issues. Ferrofluids (FFs) and Carbon Nanodots (CDs) stand out as promising energy harvesters of renewable sources (e.g. thermal or solar). In this context, the first main objective of this thesis was to investigate the thermodiffusive properties of ferrofluids based on room temperature ionic liquids (RTILs). This peculiar class of solvents composed purely of ions presents multiple advantages such as high thermal stability, low vapor pressure and modest conductivity, making them highly suitable for fluid-based thermoelectric devices. The explored RTILs are ethylammonium nitrate (EAN) and 1-Ethyl-3-methylimidazoliumbistriflimide (EMIM-TFSI). Here, it was analysed the role of the nature of counterions, the water content and the application of magnetic field in the colloidal stability and, most importantly in the thermodiffusive parameters, namely the Soret and diffusion coefficients. The theoretical approach applied to these systems showed to satisfactorily model, describe and adjust the experimental data. Further on, into a different perspective, little was known about the stability, surface charge development and local ordering of nitrogen-rich carbon nanodots (N-CDs). Along those lines, the secondobjective was to deeply analyse these properties for two kinds of N-CDs – differing by their nitrogen/carbon ratios (N/C=0.14 and 0.74) – via a multi-scale and multi-technique approach. The results shed new light on the importance of the pH of the carrier fluid in N-CDs aqueous dispersions. Finally, the third objective was to design and produce a novel fluorescent magnetic liquid combining the two previously mentioned classes of colloids: ferrofluids and N-CDs. The achieved colloïdally stable aqueous hybrid nanofluid presents a homogeneous visual aspect, while largely preserving the magnetic and fluorescent properties of each one of the nanocomponents, unlocking the possibility of use in multiple forms of applications.
Abstract FR:
La science des matériaux apporte une large gamme d’applications et de solutions aux problèmes mondiaux actuels. Les ferrofluides (FF) et les nanodots de carbone (CD) se distinguent comme de prometteurs collecteurs d’énergie renouvelable thermique ou solaire, par exemple. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse était d’étudier les propriétés thermodiffusives des ferrofluides à base de liquides ioniques à température ambiante (RTIL). Cette classe particulière de solvants composés uniquement d’ions présente de multiples avantages tels qu’une stabilité thermique élevée, une faible pression de vapeur et une conductivité modeste, ce qui les rend parfaitement adaptés aux dispositifs thermoélectriques à base de fluide. Les RTIL explorés ici sont le nitrate d’éthylammonium (EAN) et le 1-éthyl-3-méthylimidazoliumbistriflimide (EMIM-TFSI). Nous avons analysé le rôle de la nature des contre-ions, de la teneur en eau et de l’application du champ magnétique sur la stabilité colloïdale et, surtout, sur les coefficients thermodiffusifs, à savoir le coefficient Soret et le coefficient de diffusion. L’approche théorique appliquée à ces systèmes a montré qu’elle modélisait, décrivait et ajustait de manière satisfaisante les données expérimentales. Ensuite, dans une perspective différente, parce qu’on en savait peu sur la stabilité, le développement de la charge de surface et l’ordre local des nanodots de carbone riches enazote (N-CD), nous avons analysé en profondeur ces propriétés pour deux types de N-CD - différant par leurs rapport azote/carbone (N/C = 0,14 et 0,74) - via une approche multiéchelles et multi-techniques. Les résultats jettent un éclairage nouveau sur l’importance du pH du fluide porteur dans les dispersions aqueuses de N-CD. Enfin, le troisième objectif était de concevoir et de produire un nouveau liquide magnétique fluorescent combinant les deux classes de colloïdes précédemment mentionnées : les ferrofluides et les N-CD. Le nanofluide hybride aqueux, stable au plan colloïdal, qui est obtenu, présente un aspect visuel homogène, tout en préservant largement les propriétés magnétiques et fluorescentes de chacun des nanocomposants, ouvrant la possibilité d’une utilisation dans de multiples formes d’applications.