Coupled electrokinetic fluxes in a single nanochannel for energy conversion

par Preeti Sharma

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Elisabeth Charlaix et de Frank Fournel.

Soutenue le 14-04-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Eric Drockenmuller.

Le jury était composé de Picard Cyril, Jean-Luc Reboud.

Les rapporteurs étaient Marie-Caroline Jullien, Anne-Laure Himbert-Biance.

mots clés

• Nanofluidique
• Interfaces liquides
• Conversion d'énergie
• Transport en solution
• Microfluidique
• Courants électriques

Titre traduit

Flux électrocinétiques couplés dans un nanocanal unique pour la conversion d'énergie

Résumé

Les phénomènes électrocinétiques couplés au sein d'un nanocanal sont d'intérêt pour la conversion d'énergie et la production d'électricité reposant sur le mélange contrôlé d'eau douce et d'eau salée aussi appelée "énergie bleue". L'origine des phénomènes est lié à l'interaction avec des parois chargées et au transport d'ions au sein de ce qu'on nomme les couches de Debye. Ce travail vise à une meilleure compréhension de la physique et des phénomènes de transport dans ces couches dans le cadre de solutions confinées dans des nanocanaux.Une instrumentation spécifique a été développée pendant la thèse pour étudier les mécanismes qui gouvernent ces flux couplés. L'idée est de caractériser simultanément le transport de masse et le courant électrique au sein d'un nanocanal soumis à une différence de salinité de pression ou de tension électrique. Ce travail est divisé en trois parties.Dans la première partie, est décrite une cellule conçue pour la mesure et le contrôle de courant et tension électrique en présence de différence de pression ou de salinité au bornes d'un nanopores. L'utilisation de la cellule est illustrer dans le cas d'une membrane nanoporeuse de nafion.La seconde partie est focalisée sur une méthode simple de préparation d'un nanocanal directement connectable à un dispositif macroscopique. Le nanocanal, d'un micromètre de long, présente une géométrie conique, d'angle ajustable, et des extrémités équipées d'électrode déposées par pulvérisation cathodique.La troisième partie, concerne le développement d'une méthode pour la mesure directe de débit jusqu'à 10 pL/min s'écoulant au sein d'un nanocanal. Cette méthode combinée à une caractérisation électrique, pourra être utilisée, en présence de gradient de pression, de tension ou de salinité pour mesurer le débit et le courant électrique au sein d'un nanocanal de manière simultanée et indépendante.

mots clés

• Nanofluidics
• Liquid interfaces
• Energy conversion
• Transport in liquids

Résumé

Coupled electrokinetic phenomena within nanochannel are of interest for energy harvestingand production of electricity based on the controlled mixing of river water with sea water known as "blue energy". The origin of the phenomena is related to interaction with charged walls and transport of ions within the so called Debye layer. This work aims at a better understanding of the physics and transport phenomena in this layer associated with solution confined in nanochannel.A specific instrumentation has been developed during this thesis to study the mechanisms governing coupled nanofluics fluxes. The idea is to characterize simultaneously the mass transport within the nanochannel and the electrical current driven through the nanochannel by the application of either salinity difference , pressure difference or voltage difference across the channel. The thesis is divided into three parts.In the first part, a custom made flow cell and experimental conditions to control and measure various fluxes is presented. The capability of cell to measure current or voltage under applied pressure or salinity gradient is presented taking the benefit of commercial nanoporous Nafion membrane.The second part is focused on an easy way of preparation of nanochannel sample in the form of single chip, in which nanochannel is interfaced to micro and macroscopic world. A well-controlled, 1.4µm long nanochannel of conical geometry with a maximum aspect ratio of 10 is fabricated. The minimum apex size of nanochannel achieved here is 50 nm which is about 30 times less than the length of channel. The presence of electrode directly at the interface of nano to micro cavity allow to perform electrical characterization of nanochannel with high precision.The third part of the thesis is devoted to the development of a method for the direct measurement of flow rate as low as 10 pL/min across a single nanochannel. This measurement approach combined with electrical measurement, could be used, in presence of pressure, voltage or salinity gradient, to measure the flow rate and the electrical current across a single nanochannel simultaneously and independently.