Nanoparticules de tellurure de bismuth pour application thermoélectrique, synthèse et incorporation dans des composites polymères hybrides

Bismuth telluride nanoparticles for thermoelectrical application, synthesis and incorporation into polymer hybrid composites

• Auteur / Autrice : Aigerim Baimyrza
• Direction : Loïc Le Pluart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 27/10/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale normande de chimie (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie moléculaire et thio-organique (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Loïc Le Pluart, Lorette Sicard, Yves Grohens, Cyprien Lemouchi, Valérie Gaucher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lorette Sicard, Yves Grohens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résines époxydes

Matériaux hybrides

Matériaux -- Propriétés électriques

Nanotubes

Bismuth

Tellure

Mots clés libres

Tellurure de bismuth

Nanotubes de tellurure de bismuth

Matériau thermoélectrique

Omposite hybride tellurure de bismuth/résine époxy

Bismuth telluride

Bismuth telluride nanotubes

Thermoelectric material

Bismuth telluride/epoxy resin hybrid composite

Résumé

Ce travail de thèse est consacré au développement de méthodes de synthèse de nanoparticules de Bi2Te3 à facteur de forme élevé afin de concevoir des matériaux composites thermoélectriques à matrice polymère. A cet effet, des protocoles de synthèse à reflux en milieu aqueux faisant intervenir le 1-dodecanethiol ont été mis au point. Il a été mis en évidence que la formation de nanotubes peut survenir par enroulement de structures bidimensionnelles ou par un effet d’interdiffusion à partir de nanotubes de tellure préformés selon le mécanisme de Kirkendall à l’échelle nanométrique. En fonction des conditions de synthèse la proportion de nanotubes au sein des nanoparticules obtenues a varié de 30 à 100%. Cette augmentation de la proportion de nanotubes s’est accompagnée d’une amélioration des propriétés thermoélectriques d’échantillons élaborés par frittage flash à partir de ces particules. Ces protocoles de synthèse en conditions douces sont facilement utilisables à plus grande échelle. Dans un second temps, des méthodes de mise en œuvre de matériaux composites thermoélectriques basés sur la formation d’un réseau de nanoparticules ont été explorées en tant qu’alternatives aux procédés énergivores de frittage. Une méthode originale, basée sur l’infusion de résine dans un réseau préformé sous forme de mat de nanoparticules, a permis d’obtenir des composites polymères conducteurs massifs dotés de propriétés thermoélectriques satisfaisantes.

Current thesis aims at developing methods to synthesise Bi2Te3 nanoparticles with nanotubular morphology in order to process composite materials. In the course of the thesis research 1-dodecanthiol assisted aqueous reflux synthesis methods of Bi2Te3 nanoparticles were developed. We evidenced that nanotubes formation can follow two mechanisms, rolling-up or nanoscale Kirkendall diffusion, which resulted in variation of nanotubes content from 30% up to 100% depending on the experimental parameters. Optimizing the synthesis protocols also leads to improvements of the thermoelectrical properties of the samples processed by spark plasma sintering. The developed methods are easily scalable and proceed under mild reaction conditions. Subsequently, methods to prepare polymer hybrid composites with percolating Bi2Te3 nanoparticles network, were explored as an alternative to energy consuming sintering process. Infusing a thermoset resin in a preformed Bi2Te3 buckypaper was demonstrated to be the more efficient way to obtain a non-porous conductive polymer composite with specific orientation of the filler.