Les nanomatériaux et leurs applications pour l'énergie électrique
Coll. EDF R&D

Coordonnateur : NOËL Didier

Directeur de Collection : EDF R&D

Langue : Français

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Date de parution :
Ouvrage 452 p. · 15.5x24 cm · Broché · 
ISBN : 9782743015046 EAN : 9782743015046
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Les nanotechnologies apportent un fort potentiel d’innovation et de rupture dans de nombreux domaines. Leurs applications pour l’énergie en est un champ important, car la synthèse et la structuration des nanomatériaux y ouvrent des voies de progrès notables. Si divers ouvrages décrivent les innovations promises par les nanotechnologies sur des thématiques scientifiques générales ou spécialisées, très peu abordent le chemin qui va des nouvelles propriétés aux applications pour l’énergie électrique et ses usages. Cet ouvrage présente, sur des bases scientifiques solides, les apports des nanotechnologies et plus particulièrement des nanomatériaux aux enjeux de la production d’électricité et de ses usages. Après un panorama des effets physiques qui peuvent être exploités à ces échelles pour améliorer les propriétés des matériaux ou leur fonctionnalité, leur application à la production d’électricité, à son stockage, à ses usages ainsi qu’au traitement de questions environnementales est abordée. Elle conduit à explorer les domaines de l’électrochimie, du photovoltaïque, de la thermoélectricité, des propriétés mécaniques et thermiques des matériaux ou encore des membranes et des surfaces ultrahydrophobes. Chaque chapitre constitue une monographie exhaustive enrichie d’une abondante iconographie et d’une bibliographie très complète. Les meilleurs experts de chaque domaine ont été réunis, faisant de cet ouvrage une référence incontournable. Au confluent de plusieurs disciplines et en prise directe sur un vaste champ d’applications, ce livre s’adresse à un large public : ingénieurs et chercheurs, étudiants des écoles d’ingénieurs ou des universités aux niveaux licence et master.

Préface

Avant-propos

Chapitre 1. Introduction et perspectives

1. Les principaux phénomènes physiques

1.1. Prédominance des surfaces et interfaces

1.2. Effets quantiques

1.3. Auto-assemblage et contrôle de topologie à l’échelle nanométrique

1.4. Nanotubes de carbone

2. Des phénomènes physiques aux applications pour l’industrie électrique

2.1. Matériaux de structure pour la production d’électricité

2.2. Stockage d’énergie

2.3. Nanomatériaux pour la conversion photovoltaïque

2.4. Matériaux thermoélectriques

2.5. Applications pour l’environnement

3. Conclusion

Chapitre 2. Les nanotubes de carbone et leurs applications

1. Découverte et caractéristiques des nanotubes de carbone

2. Nanotubes de carbone : structures, synthèses et propriétés

2.1. Structure

2.2. Structure électronique

2.3. Synthèse et production

2.4. Propriétés thermiques

2.5. Propriétés mécaniques

3. Applications

3.1. Électronique du futur

3.2. Conduction électrique des NTC

3.3. Émission de champ et écran plat

3.4. Électrodes transparentes

3.5. Sources de rayon X à base de NTC

3.6. Supercondensateurs

3.7. Batterie lithium-ions

3.8. Composites

3.9. Fibres de NTC

3.10. Contacts électromécaniques

3.11. Application des nanotubes aux cellules solaires

4. Conclusion et perspectives

Chapitre 3. Applications pour matériaux de structure des grands moyens de production d’électricité

1. Matériaux oxide dispersion strengthened

1.1. Élaboration des ODS nanométriques

1.2. Microstructures des aciers ODS .

1.3. Propriétés mécaniques des alliages ODS

1.4. Assemblage des alliages ODS

1.5. Comportement des ODS sous irradiation

1.6. Conclusions sur les aciers ODS

2. Matériaux céramiques et composites à matrice céramique

2.1. Céramiques nanostructurées de type carbure

2.2. Composites à matrices céramiques

3. Revêtements nanostructurés

3.1. Nanostructuration par empilement de nitrures d’éléments de transition obtenus par évaporation par arc cathodique pour applications mécaniques sous fortes sollicitations

3.2. Barrière à l’oxydation ; nanostructuration par précipitation d’un nitrure d’élément de transition ; dépôts obtenus par évaporation par arc cathodique

3.3. Nanostructuration de matériaux à base de carbone et de silicium obtenus par voie chimique en phase vapeur avec assistance plasma

4. Conclusion

Chapitre 4. Applications pour piles à combustible, accumulateurs, supercondensateurs

1. Piles à combustibles

1.1. Piles basse température (0-200 °C)

1.2. Piles haute température (400-900 °C)

2. Supercondensateurs à double couche électrochimique

2.1. Caractéristiques générales des supercondensateurs

2.2. Applications des supercondensateurs

2.3. Carbones utilisés dans les électrodes de supercondensateurs

2.4. Matériaux pseudo-capacitifs

2.5.Conclusion

3. Accumulateurs

3.1. Principe et caractéristiques des accumulateurs

3.2. Utilisation de nanomatériaux pour accumulateurs à ion Li

3.3. Autres systèmes électrochimiques de stockage de l’énergie

4. Conclusion et perspectives

Chapitre 5. Nanomatériaux pour la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire

1. État de l’art

1.1. Différentes filières photovoltaïques

1.2. Principe de fonctionnement des cellules solaires classiques

2. Champ d’application des nanostructures dans le photovoltaïque

2.1. Ingénierie énergétique : effets de taille quantique

2.2. Ingéniérie électrique : effets de confinement géométrique 1

2.3. Ingénierie optique à base de nanostructures

3. Nanostructures et nouveaux concepts pour la conversion photovoltaïque à très haut rendement

3.1. Multijonctions

3.2. Conversion de photons par up/down conversion

3.3. Cellules solaires à multigénération de charges

3.4. Cellules à porteurs chauds : vers un couplage photovoltaïque-phononique

4. Conclusion

Chapitre 6. Nanomatériaux thermoélectriques

1. Matériaux thermoélectriques

1.1. Rappels sur les matériaux massifs

1.2. Du massif au nano

2. Effets de la nanostructuration sur les propriétés thermiques

2.1. Mécanismes physiques des transferts thermiques dans les nanostructures

2.2. Thermique des nanostructures

2.3. Conclusion

3. Structure électronique et coefficients du transport

3.1. Thermodynamique hors équilibre en régime linéaire

3.2. Expression microscopique des Coefficients d’Onsager

3.3. Effets de la structure de bandes sur les coefficients du transport : application aux fils quantiques

3.4. Autres modèles de la structure électronique (états localisés, hybridation)

4. Systèmes 1D : synthèse électrochimique et propriétés

4.1. Élaboration de nanofils

4.2. Électrodéposition de nanofils dans des matrices poreuses

4.3. Caractérisation

4.4. Vers le dispositif

5. Matériaux nanostructurés à 2 dimensions : couches minces, multicouches et super-réseaux

5.1. Introduction

5.2. Intérêt de la nano-structuration 2D en thermoélectricité

5.3. Des prédictions théoriques à l’expérience

5.4. Optimisation des couches minces simples thermoélectriques

5.5. Conclusion

6. Matériaux massifs nanostructurés

6.1. Matériaux nanostructurés : du concept aux propriétés de transport

6.2. État de l’art des matériaux nanostructurés

6.3. Conclusion

7. Mesures des propriétés de transport de nanomatériaux thermoélectriques

7.1. Conductivité thermique

7.2. Coefficient Seebeck

7.3. Résistivité et effet Hall

7.4. Conclusion

8. Mise en forme 3D des nanomatériaux et nanocomposites TE

8.1. Introduction

8.2. Techniques

9. Applications des nanomatériaux

9.1. Matériaux 3D

9.2. Matériaux 2D

9.3. Perspectives

10. Conclusions, perspectives

Chapitre 7. Applications pour l’environnement

1. Les membranes et les applications en séparation et/ou réaction

1.1. Intérêt des membranes pour l’intensification des procédés

1.2. Rappels sur les procédés membranaires et leurs principaux domaines d’application

1.3. Nouveaux matériaux membranaires et nouvelles architectures – Propriétés liées à la structuration au niveau nanométrique

1.4. Exemples d’applications

1.5. Conclusions

2. Les surfaces ultrahydrophobes : synthèse, caractérisation et applications

2.1. Mouillage

2.2. Construction de surfaces ultrahydrophobes

2.3. Applications des surfaces ultrahydrophobes

2.4. Conclusion

Abréviations et sigles

Index

La part représentée par les nanomatériaux dans l’ensemble des nanotechnologies est très importante. Dans une étude disponible sur Internet (www.nanotechproject. org/inventories/consumer/) et qui dresse l’inventaire des nanotechnologies ayant déjà débouché sur des produits manufacturés, on peut constater que celles-ci sont constituées pour l’essentiel de nanomatériaux. Les principaux secteurs d’applications en sont l’électronique, l’énergie et la santé. L’électronique a la miniaturisation dans les gènes et on n’est donc pas étonné de la trouver en si bonne place. Pour la santé, l’explication tient en partie au fait que certains objets biologiques, comme les protéines, sont de dimension nanométrique. Le secteur de l’énergie est quant à lui confronté à une très grande diversité de problème de matériaux à résoudre, pour des questions liées aux performances mécaniques, aux échanges thermiques, aux propriétés électriques et électrochimiques, au traitement des fluides… Presque toutes les propriétés des matériaux y sont mises en jeu, y compris l’optique, si l’on s’intéresse à la production photovoltaïque de l’électricité. Pour chacune d’elles, la synthèse et la structuration des matériaux à l’échelle nano se sont imposées dans les vingt dernières années comme des voies de progrès spectaculaire.

Le développement des nanomatériaux s’appuie sur deux logiques : celle de l’optimisation des propriétés et celle de la plurifonctionnalisation. La structuration à l’échelle nano permet souvent d’optimiser la propriété d’usage d’un matériau donné, qu’elle soit mécanique, optique ou électrique. Ainsi, les nanocéramiques, dont la taille des grains est inférieure à cent nanomètres, possèdent des ténacités record. L’architecture des matériaux à l’échelle nano, qui passe la plupart du temps par l’élaboration de composites, permet de conférer à un matériau donné des fonctionnalités nouvelles, conduisant à la plurifonctionnalité. Ainsi, la dispersion de nanoparticules semi-conductrices dans une matrice polymère conducteur conduit à des matériaux aux propriétés électro-optiques nouvelles.

Pour quelles raisons l’échelle nano ouvre-t-elle tant de voies d’amélioration des propriétés et de fonctionnalisation des matériaux ? Ce ne sont bien sûr pas les lois de la physique qui se trouvent modifiées à l’échelle nano, même si les phénomènes quantiques prennent une part de plus en plus importante quand on réduit la taille des objets. Mais, suivant les dimensions de l’objet auquel on s’intéresse, il faut changer de lois de comportement pour décrire correctement ses propriétés. Telle loi qui influe de façon insignifiante sur les propriétés d’un matériau homogène peut devenir prépondérante si le matériau est nanostructuré. La dimension caractéristique à laquelle le changement se produit dépend de la propriété considérée. La physique nous apprend que bien souvent elle est dans le domaine nanométrique. Ainsi en optique, pour la longueur d’onde de la lumière (environ 500 nm), la profondeur de l’effet de peau dans les métaux (quelques dizaines de nanomètres), le diamètre des excitons dans les semi-conducteurs (entre 2 et 20 nm), des changements de comportement optique spectaculaires sont associés à chacune de ces longueurs caractéristiques. Il en va de même pour les propriétés électriques : libre parcours moyen des électrons dans les métaux (quelques dizaines de nanomètres), distance d’écrantage dans les électrolytes (quelques nanomètres à quelques microns).

En mécanique, il n’y a pas de longueur caractéristique, mais toutes les échelles sont bonnes à prendre pour modifier ou optimiser les propriétés. La nature en fournit de très beaux exemples, comme ceux du bois ou des coquillages, dont les structures sont organisées sur un très grand nombre d’échelles spatiales, depuis le nano jusqu’au macro.

En chimie des interfaces (catalyse, électrochimie), le plus petit est le mieux, car on optimise ainsi le rapport surface/volume, ce qui accélère les transferts.

Tous ces phénomènes, plus quelques autres, sont évoqués dans l’ouvrage qui suit, illustrant bien la richesse, en termes de problématiques liées aux matériaux, des technologies utilisées dans le secteur de l’énergie.

Objets emblématiques des nanotechnologies, les nanotubes de carbone sont présentés en détail, et leurs propriétés mécaniques et physiques extraordinaires sont discutées. Ils illustrent magnifiquement la plurifonctionnalité, puisqu’ils peuvent aussi bien être utilisés pour renforcer les propriétés mécaniques que pour améliorer le transport électrique.

Les propriétés mécaniques des matériaux de structure sont parfaitement illustrées par des exemples tirés de la métallurgie des (nano)poudres ou des (nano)composites céramique/céramique, dont les procédés d’élaboration très spécifiques sont traités en détail.

Le domaine de l’électrochimie est bien sûr largement représenté, avec ses applications dans la génération et le stockage de l’électricité. Dans ce domaine, le progrès réside dans l’élaboration de matériaux d’électrode nanostructurés et dans l’amélioration des catalyseurs.

Le chapitre sur l’énergie photovoltaïque est l’occasion d’aborder les propriétés optiques des semi-conducteurs et de commenter la compétition entre matériaux inorganiques et polymères. Les matériaux utilisés sont nécessairement plurifonctionnels, puisqu’ils doivent conjuguer propriétés optiques et propriétés électriques optimales.

Le chapitre sur la thermoélectricité fournit un autre exemple très intéressant de plurifonctionnalité. Il s’agit pour ce problème d’optimiser à la fois les propriétés électriques du matériau, dans le sens d’une augmentation de la conductivité, et ses propriétés thermiques, dans le sens d’une diminution.

Enfin, la discussion des enjeux liés à l’environnement donne l’occasion d’aborder les problèmes d’interaction matériau/fluide : transfert membranaire et mouillage, qui se jouent eux aussi à l’échelle nano.

Chacun des chapitres de ce livre constitue une monographie exhaustive munie d’une bibliographie très complète. Ils auraient pu faire l’objet d’ouvrages indépendants, mais il faut féliciter l’éditeur de l’ensemble de fournir en les réunissant une image très attractive des technologies de l’énergie, qui sont, par leurs enjeux industriels et sociétaux, parmi les plus importantes de notre époque.

Hervé Arribart
Professeur à l’École Supérieure de Physique
et Chimie Industrielles de la Ville de Paris
Membre de l’Académie des Technologies
Didier Noël est chercheur sénior à EDF R&D. Il s’est entouré d’une cinquantaine de spécialistes, pour la plupart externes à EDF, pour la rédaction de cet ouvrage.
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