Thermoélectricité nanofluidique haute performance grâce aux surfaces lisses polarisées – smoothE

L'énergie thermique résiduelle rejetée dans l'atmosphère est l'une des plus grandes sources d'énergies propres, renouvelables et peu coûteuses disponibles. Les technologies les plus couramment utilisées pour convertir la chaleur perdue en énergie électrique sont les générateurs thermoélectriques à l'état solide et les cellules thermoélectrochimiques à base de liquide. Malgré l'amélioration continue de leurs facteurs de qualité, elles sont toujours inadéquates pour la conversion de la chaleur perdue en raison des limitations des matériaux, du coût et des faibles efficacités. Une méthode alternative prometteuse pour convertir l'énergie thermique en énergie électrique est basée sur des nanocanaux remplis d'électrolyte : lorsqu'un gradient de température est appliqué le long du canal, un champ électrique est créé qui provoque un courant électrique.

L'efficacité de ces dispositifs nanofluidiques pourrait atteindre celle des meilleurs matériaux thermoélectriques à l'état solide, grâce au phénomène de glissement liquide-solide sur des surfaces à faible frottement, qui amplifie les performances. Cependant, un rendement élevé nécessite également une charge de surface élevée, ce qui est préjudiciable au glissement. Dans ce contexte, nous avons récemment montré que les surfaces de graphène polarisées présentent un couplage charge-glissement très favorable ; par conséquent, ces surfaces pourraient fournir une excellente conversion thermoélectrique. Par conséquent, le premier objectif du projet est d'identifier des configurations particulièrement prometteuses avec une efficacité de conversion élevée en étudiant la conversion d'énergie thermoélectrique dans des nanocanaux à base de graphène.

Un autre résultat de nos études préliminaires est qu'une conversion énergétique efficace est obtenue surtout lorsque la variation des propriétés du liquide avec la température est très prononcée. C'est le cas près du point critique du fluide (conditions transcritiques), et le deuxième objectif du projet est donc d'explorer le potentiel de la conversion d'énergie thermoélectrique dans de telles conditions transcritiques.

Pour développer une image complète de la thermoélectricité dans les canaux nanofluidiques, nous utiliserons une approche multi-échelle, combinant des simulations atomistiques, pour capturer les effets moléculaires dans le voisinage nanométrique de l'interface, et des simulations continues, pour décrire le système entier à une plus grande échelle. Plus précisément, les simulations atomistiques fourniront les conditions aux limites ou les équations de surface pour les modèles continus. Les résultats de cette approche seront finalement testés par rapport aux simulations moléculaires dans des situations de confinement extrême.

Notre objectif est d'identifier des configurations présentant une efficacité élevée de conversion d'énergie thermoélectrique, en particulier des canaux avec des parois de graphène polarisées et des régimes de fonctionnement proches du point critique, fournissant ainsi des lignes directrices théoriques pour le développement de convertisseurs d'énergie thermoélectrique peu coûteux constitués de matériaux abondants sur terre, ce qui devrait déclencher des activités expérimentales basées sur les configurations que nous avons suggérées.