DOCTORANT/E en CDD

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Projet de Thèse :

Conception de matériaux poreux pour des électrodes pour l’énergie bleue et la réalisation de dispositifs millifluidiques

Le mélange de solutions salines de différentes concentrations libère de l’énergie sous forme d’énergie de mélange. L’énergie qui peut théoriquement être générée par 1 m3 d’eau de rivière est de 1,7 MJ lorsqu’elle est mélangée avec le même volume d’eau de mer ou même de 2,5 MJ lorsqu’elle est mélangée à un large surplus d’eau de mer.
Le spiles d’electrodylaise inversée fonctionne sur ce principe. Elles sont constituées d’une membrane échangeuse d’anions (AEM), d’un compartiment d’eau de mer, d’une membrane échangeuse de cations (CEM) et d’un compartiment d’eau de rivière. Les ions dans l’eau de mer diffusent à travers les membranes vers l’eau de la rivière : les ions Na + à travers les membranes CEM et les ions Cl- à travers l’AEM. Le mouvement de Na + dans un sens et le mouvement négatif de Cl- dans un autre s’ajoutent pour donner un courant ionique. Aux électrodes, le courant ionique doit être converti en un courant d’électrons. La valeur du flux ionique dépend de la nature de la membrane.
Il a été montré récemment que le flux ionique est plus grand d’au moins cinq fois dans un nanotube de nitrure de bore que dans un nanotube de carbone ou dans un pore à l’intérieur d’une membrane polymère. Ces expériences ont été réalisées au niveau d’un seul nanotube. Ce résultat provient de la charge de surface anormalement élevée portée par la surface interne du nanotube de nitrure de bore dans l’eau à pH élevé, que nous quantifions indépendamment dans les mesures de conductance. Dans ces expériences, des électrodes Ag / AgCl sont utilisées pour mesurer le courant électrique passant à travers le nanotube.
Dans ce projet, notre objectif est de construire une cellule en utilisant une membrane de 10 cm2 et de caractériser la quantité d’énergie récoltable. Un verrou important est la conversion du flux ionique important en courant électrique. Nous proposons dans ce projet de tester différents types d’électrodes et de sélectionner celles permettant la conversion de grands flux ioniques en courant électronique. Nous visons une puissance de 100 mW / cm2 soit 10 W / m2. Le flux ionique prédit par les expériences précédentes est supérieur d’au moins un ordre de grandeur à cette puissance.

Méthodologie et échéancier :

Pour ce faire, nous profiterons des dispositifs millifluidiques.
Deux canaux seront séparés par une membrane de nanotubes de nitrure de bore. Dans ces canaux nous injecterons respectivement de l’eau douce et de l’eau salée. En raison de la différence de concentration de sel, un flux ionique exacerbé par les propriétés de la membrane sera créé. La membrane du nanotube de nitrure de bore sera préparée par nos collaborateurs à Montpellier et à Rennes. Les canaux seront connectés à un système d’électrodes. Nous utiliserons également des membranes de nanopores de TiO2 préparées en laboratoire. Nous sommes capables de préparer des pores simples (50-100 nm), des multipores (1000 nanopores) ou des membranes avec une densité de pores de 109 pores / cm2 avec ce matériau.

Nous prévoyons d’utiliser trois types d’électrodes :
- Des systèmes où les électrodes jouent un rôle actif dans le processus redox : l’une grandit et l’autre se dissout. (Ag / AgCl, Zn, ZnSO4, électrodes MnO2 en tant que matériau d’intercalation Na +).
- Les électrodes supercondensatrices telles que les aérogels de carbone.
- Des électrodes circulantes telles que celle développée dans [Colin].
- Les systèmes dans lesquels les électrodes ne sont pas impliquées dans le processus redox.

Il faut noter que, dans les deux premiers types de systèmes (tels que Ag / AgCl ou aérogels de carbone), les eaux d’alimentation doivent être interchangées périodiquement pour inverser la direction du courant électrique et avec cela les processus d’électrode. Ceci impose des limitations sur la conception de la pile : la pile doit être équipée de compartiments d’eau identiques pour la mer et la rivière. Une solution moins intéressante consiste à effectuer mécaniquement l’échange périodique d’anode et de cathode.

Dans la dernière situation, le système sera équipé d’électrodes inertes telles que des électrodes de graphite en contact avec un couple redox réversible (Fe2 + / Fe3 +) ou Fe (CN) 6 4- / Fe (CN) 6 3-. La différence de potentiel nécessaire pour la réduction de Fe3 + en Fe2 + sur la cathode sera contrebalancée par l’oxydation
de Fe 2+ à Fe 3+ à l’anode. Le rapport Fe3 + / Fe2 + sera maintenu constant par recirculation de l’anolyte et du catholyte combinés à travers les compartiments d’électrode

Un soin particulier sera apporté aux études de la concentration en ions dans la cellule. Nous suivrons quantitativement la concentration en Na + et Cl- par interférométrie dans chaque partie de la cellule. Notre objectif est de mesurer le champ de concentration à l’intérieur du système, sa dynamique et de le modéliser. Cela nous permettra de comprendre l’étape limitante du processus. Retour et quatrième, avec nos collaborateurs à Rennes sont envisagés pour améliorer les propriétés de la membrane. L’influence du débit, les valeurs des gradients de sel seront étudiées en détail ainsi que le vieillissement des électrodes.

Le calendrier du doctorat est le suivant :
- Première année de mise en place du dispositif, de l’expérience d’interférométrie.
- Deuxième année et troisième année, étude des différents types d’électrodes.

Cette thèse se déroulera au laboratoire CBI sous la direction d’Annie Colin.

Annie.colin@espci.fr

MODALITÉS DE RECRUTEMENT
Contrat : CDD
Poste à pourvoir du 01/10/2018 au 30/09/2021





ÉCOLE SUPÉRIEURE DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE INDUSTRIELLES DE LA VILLE DE PARIS
10 Rue Vauquelin, 75005 Paris