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| Titre : | Les nanomatériaux et leurs applications pour l'énergie électrique | | Type de document : | texte imprime | | Auteurs : | Didier Noël ; Hervé Arribart, Préfacier, etc. | | Editeur : | Paris : Ed. Tec & Doc | | Année de publication : | impr. 2013 | | Autre Editeur : | Lavoisier | | Collection : | Collection EDF R&D, ISSN 1773-5300 | | Importance : | (XIX-452 p.) | | Présentation : | ill., graph., tabl., couv. ill. en coul. | | Format : | 24 cm | | ISBN/ISSN/EAN : | 978-2-7430-1504-6 | | Note générale : | Notes bibliogr. Index | | Langues : | Français | | Mots-clés : | Nanoparticules Electricité Conversion photovoltaïque Energie Matériaux nanostructurés | | Index. décimale : | 621.312 | | Résumé : | Toutes les applications des nanomatériaux pour l'énergie électrique et ses usages. Panorama des phénomènes physiques nouveaux qui peuvent être exploités pour améliorer les procédés ou les matériaux et pour augmenter l'efficacité énergétique de la conversion d'énergie(s). Aborde les domaines de l'électrochimie, du photovoltaïque, de la thermoélectricité, etc.
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 [Source : 4e de couv.]
| | Note de contenu : |
Préface IX
Avant-propos XIII
Chapitre 1Introduction et perspectives 1
1. Les principaux phénomènes physiques 2
1.1. Prédominance des surfaces et interfaces 2
1.2. Effets quantiques 6
1.3. Auto-assemblage et contrôle de morphologie à l'échelle nanométrique 8
1.4. Nanotubes de carbone 10
2. Des phénomènes physiques aux applications pour l'industrie électrique 11
2.1. Matériaux de structure pour la production d'électricité 12
2.2. Stockage d'énergie 13
2.3. Nanomatériaux pour la conversion photovoltaïque 15
2.4. Matériaux thermoélectriques 17
2.5. Applications pour l'environnement 18
3. Conclusion 20
Chapitre 2Les nanotubes de carbone et leurs applications 23
1. Découverte et caractéristiques des nanotubes de carbone 24
2. Nanotubes de carbone : structures, synthèses et propriétés 25
2.1. Structure 25
2.2. Structure électronique 27
2.3. Synthèse et production 28
2.4. Propriétés thermiques 31
2.5. Propriétés mécaniques 32
3. Applications 33
3.1. Électronique du futur 33
3.2. Conduction électrique des NTC 36
3.3. Émission de champ et écran plat 38
3.4. Électrodes transparentes 39
3.5. Sources de rayon X à base de NTC 40
3.6. Supercondensateurs 40
3.7. Batterie lithium-ions 41
3.8. Composites 41
3.9. Fibres de NTC 43
3.10. Contacts électromécaniques 46
3.11. Application des nanotubes aux cellules solaires 46
4. Conclusion et perspectives 50
Chapitre 3Applications pour matériaux de structure des grands moyens de production d'électricité 55
1. Matériaux oxide dispersion strengthened 57
1.1. Élaboration des ODS nanométriques 59
1.2. Microstructures des aciers ODS 62
1.3. Propriétés mécaniques des alliages ODS 65
1.4. Assemblage des alliages ODS 69
1.5. Comportement des ODS sous irradiation 76
1.6. Conclusions sur les aciers ODS 79
2. Matériaux céramiques et composites à matrice céramique 80
2.1. Céramiques nanostructurées de type carbure 81
2.2. Composites à matrices céramiques 91
3. Revêtements nanostructurés 95
3.1. Nanostructuration par empilement de nitrures d'éléments de transition obtenus par évaporation par arc cathodique pour applications mécaniques sous fortes sollicitations 96
3.2. Barrière à l'oxydation ; nanostructuration par précipitation d'un nitrure d'élément de transition ; dépôts obtenus par évaporation par arc cathodique 100
3.3. Nanostructuration de matériaux à base de carbone et de silicium obtenus par voie chimique en phase vapeur avec assistance plasma 102
4. Conclusion 104
Chapitre 4Applications pour piles à combustible, accumulateurs, supercondensateurs 111
1. Piles à combustibles 116
1.1. Piles basse température (0-200°C) 117
1.2. Piles haute température (400-900°C) 131
2. Supercondensateurs à double couche électrochimique 141
2.1. Caractéristiques générales des supercondensateurs 142
2.2. Applications des supercondensateurs 143
2.3. Carbones utilisés dans les électrodes de supercondensateurs 145
2.4. Matériaux pseudo-capacitifs 153
2.5. Conclusion 160
3. Accumulateurs 161
3.1. Principe et caractéristiques des accumulateurs 161
3.2. Utilisation de nanomatériaux pour accumulateurs à ion Li 165
3.3. Autres systèmes électrochimiques de stockage de l'énergie 179
4. Conclusion et perspectives 181
Chapitre 5Nanomatériaux pour la conversion photovoltaïque de l'énergie solaire 193
1. État de l'art 194
1.1. Différentes filières photovoltaïques 194
1.2. Principe de fonctionnement des cellules solaires classiques 195
2. Champ d'application des nanostructures dans le photovoltaïque 201
2.1. Ingénierie énergétique : effets de taille quantique 201
2.2. Ingéniérie électrique : effets de confinement géométrique 211
2.3. Ingénierie optique à base de nanostructures 224
3. Nanostructures et nouveaux concepts pour la conversion photovoltaïque à très haut rendement 242
3.1. Multijonctions 243
3.2. Conversion de photons par up/down conversion 244
3.3. Cellules solaires à multigénération de charges 250
3.4. Cellules à porteurs chauds : vers un couplage photovoltaïque-phononique 252
4. Conclusion 255
Chapitre 6Nanomatériaux thermoélectriques 261
1. Matériaux thermoélectriques 262
1.1. Rappels sur les matériaux massifs 262
1.2. Du massif au nano 268
2. Effets de la nanostructuration sur les propriétés thermiques 273
2.1. Mécanismes physiques des transferts thermiques dans les nanostructures 274
2.2. Thermique des nanostructures 277
2.3. Conclusion 283
3. Structure électronique et coefficients du transport 283
3.1. Thermodynamique hors équilibre en régime linéaire 283
3.2. Expression microscopique des Coefficients d'Onsager 285
3.3. Effets de la structure de bandes sur les coefficients du transport : application aux fils quantiques 287
3.4. Autres modèles de la structure électronique (états localisés, hybridation) 291
4. Systèmes 1D : synthèse électrochimique et propriétés 296
4.1. Élaboration de nanofils 297
4.2. Électrodéposition de nanofils dans des matrices poreuses 298
4.3. Caractérisation 303
4.4. Vers le dispositif 306
5. Matériaux nanostructurés à 2 dimensions : couches minces, multicouches et super-réseaux 308
5.1. Introduction 308
5.2. Intérêt de la nano-structuration 2D en thermoélectricité 311
5.3. Des prédictions théoriques à l'expérience 312
5.4. Optimisation des couches minces simples thermoélectriques 315
5.5. Conclusion 319
6. Matériaux massifs nanostructurés 323
6.1. Matériaux nanostructurés : du concept aux propriétés de transport 324
6.2. État de l'art des matériaux nanostructurés 329
6.3. Conclusion 334
7. Mesures des propriétés de transport de nanomatériaux thermoélectriques 335
7.1. Conductivité thermique 335
7.2. Coefficient Seebeck 340
7.3. Résistivité et effet Hall 342
7.4. Conclusion 344
8. Mise en forme 3D des nanomatériaux et nanocomposites TE 344
8.1. Introduction 344
8.2. Techniques 346
9. Applications des nanomatériaux 354
9.1. Matériaux 3D 354
9.2. Matériaux 2D 355
9.3. Perspectives 361
10. Conclusions, perspectives 362
Chapitre 7Applications pour l'environnement 387
1. Les membranes et les applications en séparation et/ou réaction 387
1.1. Intérêt des membranes pour l'intensification des procédés 387
1.2. Rappels sur les procédés membranaires et leurs principaux domaines d'application 389
1.3. Nouveaux matériaux membranaires et nouvelles architectures - Propriétés liées à la structuration au niveau nanométrique 393
1.4. Exemples d'applications 404
1.5. Conclusions 414
2. Les surfaces ultrahydrophobes : synthèse, caractérisation et applications 415
2.1. Mouillage 415
2.2. Construction de surfaces ultrahydrophobes 424
2.3. Applications des surfaces ultrahydrophobes 431
2.4. Conclusion 434
Abréviations et sigles 444
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Les nanomatériaux et leurs applications pour l'énergie électrique [texte imprime] / Didier Noël ; Hervé Arribart, Préfacier, etc. . - Paris : Ed. Tec & Doc : [S.l.] : Lavoisier, impr. 2013 . - (XIX-452 p.) : ill., graph., tabl., couv. ill. en coul. ; 24 cm. - ( Collection EDF R&D, ISSN 1773-5300) . ISBN : 978-2-7430-1504-6 Notes bibliogr. Index Langues : Français | Mots-clés : | Nanoparticules Electricité Conversion photovoltaïque Energie Matériaux nanostructurés | | Index. décimale : | 621.312 | | Résumé : | Toutes les applications des nanomatériaux pour l'énergie électrique et ses usages. Panorama des phénomènes physiques nouveaux qui peuvent être exploités pour améliorer les procédés ou les matériaux et pour augmenter l'efficacité énergétique de la conversion d'énergie(s). Aborde les domaines de l'électrochimie, du photovoltaïque, de la thermoélectricité, etc.
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 [Source : 4e de couv.]
| | Note de contenu : |
Préface IX
Avant-propos XIII
Chapitre 1Introduction et perspectives 1
1. Les principaux phénomènes physiques 2
1.1. Prédominance des surfaces et interfaces 2
1.2. Effets quantiques 6
1.3. Auto-assemblage et contrôle de morphologie à l'échelle nanométrique 8
1.4. Nanotubes de carbone 10
2. Des phénomènes physiques aux applications pour l'industrie électrique 11
2.1. Matériaux de structure pour la production d'électricité 12
2.2. Stockage d'énergie 13
2.3. Nanomatériaux pour la conversion photovoltaïque 15
2.4. Matériaux thermoélectriques 17
2.5. Applications pour l'environnement 18
3. Conclusion 20
Chapitre 2Les nanotubes de carbone et leurs applications 23
1. Découverte et caractéristiques des nanotubes de carbone 24
2. Nanotubes de carbone : structures, synthèses et propriétés 25
2.1. Structure 25
2.2. Structure électronique 27
2.3. Synthèse et production 28
2.4. Propriétés thermiques 31
2.5. Propriétés mécaniques 32
3. Applications 33
3.1. Électronique du futur 33
3.2. Conduction électrique des NTC 36
3.3. Émission de champ et écran plat 38
3.4. Électrodes transparentes 39
3.5. Sources de rayon X à base de NTC 40
3.6. Supercondensateurs 40
3.7. Batterie lithium-ions 41
3.8. Composites 41
3.9. Fibres de NTC 43
3.10. Contacts électromécaniques 46
3.11. Application des nanotubes aux cellules solaires 46
4. Conclusion et perspectives 50
Chapitre 3Applications pour matériaux de structure des grands moyens de production d'électricité 55
1. Matériaux oxide dispersion strengthened 57
1.1. Élaboration des ODS nanométriques 59
1.2. Microstructures des aciers ODS 62
1.3. Propriétés mécaniques des alliages ODS 65
1.4. Assemblage des alliages ODS 69
1.5. Comportement des ODS sous irradiation 76
1.6. Conclusions sur les aciers ODS 79
2. Matériaux céramiques et composites à matrice céramique 80
2.1. Céramiques nanostructurées de type carbure 81
2.2. Composites à matrices céramiques 91
3. Revêtements nanostructurés 95
3.1. Nanostructuration par empilement de nitrures d'éléments de transition obtenus par évaporation par arc cathodique pour applications mécaniques sous fortes sollicitations 96
3.2. Barrière à l'oxydation ; nanostructuration par précipitation d'un nitrure d'élément de transition ; dépôts obtenus par évaporation par arc cathodique 100
3.3. Nanostructuration de matériaux à base de carbone et de silicium obtenus par voie chimique en phase vapeur avec assistance plasma 102
4. Conclusion 104
Chapitre 4Applications pour piles à combustible, accumulateurs, supercondensateurs 111
1. Piles à combustibles 116
1.1. Piles basse température (0-200°C) 117
1.2. Piles haute température (400-900°C) 131
2. Supercondensateurs à double couche électrochimique 141
2.1. Caractéristiques générales des supercondensateurs 142
2.2. Applications des supercondensateurs 143
2.3. Carbones utilisés dans les électrodes de supercondensateurs 145
2.4. Matériaux pseudo-capacitifs 153
2.5. Conclusion 160
3. Accumulateurs 161
3.1. Principe et caractéristiques des accumulateurs 161
3.2. Utilisation de nanomatériaux pour accumulateurs à ion Li 165
3.3. Autres systèmes électrochimiques de stockage de l'énergie 179
4. Conclusion et perspectives 181
Chapitre 5Nanomatériaux pour la conversion photovoltaïque de l'énergie solaire 193
1. État de l'art 194
1.1. Différentes filières photovoltaïques 194
1.2. Principe de fonctionnement des cellules solaires classiques 195
2. Champ d'application des nanostructures dans le photovoltaïque 201
2.1. Ingénierie énergétique : effets de taille quantique 201
2.2. Ingéniérie électrique : effets de confinement géométrique 211
2.3. Ingénierie optique à base de nanostructures 224
3. Nanostructures et nouveaux concepts pour la conversion photovoltaïque à très haut rendement 242
3.1. Multijonctions 243
3.2. Conversion de photons par up/down conversion 244
3.3. Cellules solaires à multigénération de charges 250
3.4. Cellules à porteurs chauds : vers un couplage photovoltaïque-phononique 252
4. Conclusion 255
Chapitre 6Nanomatériaux thermoélectriques 261
1. Matériaux thermoélectriques 262
1.1. Rappels sur les matériaux massifs 262
1.2. Du massif au nano 268
2. Effets de la nanostructuration sur les propriétés thermiques 273
2.1. Mécanismes physiques des transferts thermiques dans les nanostructures 274
2.2. Thermique des nanostructures 277
2.3. Conclusion 283
3. Structure électronique et coefficients du transport 283
3.1. Thermodynamique hors équilibre en régime linéaire 283
3.2. Expression microscopique des Coefficients d'Onsager 285
3.3. Effets de la structure de bandes sur les coefficients du transport : application aux fils quantiques 287
3.4. Autres modèles de la structure électronique (états localisés, hybridation) 291
4. Systèmes 1D : synthèse électrochimique et propriétés 296
4.1. Élaboration de nanofils 297
4.2. Électrodéposition de nanofils dans des matrices poreuses 298
4.3. Caractérisation 303
4.4. Vers le dispositif 306
5. Matériaux nanostructurés à 2 dimensions : couches minces, multicouches et super-réseaux 308
5.1. Introduction 308
5.2. Intérêt de la nano-structuration 2D en thermoélectricité 311
5.3. Des prédictions théoriques à l'expérience 312
5.4. Optimisation des couches minces simples thermoélectriques 315
5.5. Conclusion 319
6. Matériaux massifs nanostructurés 323
6.1. Matériaux nanostructurés : du concept aux propriétés de transport 324
6.2. État de l'art des matériaux nanostructurés 329
6.3. Conclusion 334
7. Mesures des propriétés de transport de nanomatériaux thermoélectriques 335
7.1. Conductivité thermique 335
7.2. Coefficient Seebeck 340
7.3. Résistivité et effet Hall 342
7.4. Conclusion 344
8. Mise en forme 3D des nanomatériaux et nanocomposites TE 344
8.1. Introduction 344
8.2. Techniques 346
9. Applications des nanomatériaux 354
9.1. Matériaux 3D 354
9.2. Matériaux 2D 355
9.3. Perspectives 361
10. Conclusions, perspectives 362
Chapitre 7Applications pour l'environnement 387
1. Les membranes et les applications en séparation et/ou réaction 387
1.1. Intérêt des membranes pour l'intensification des procédés 387
1.2. Rappels sur les procédés membranaires et leurs principaux domaines d'application 389
1.3. Nouveaux matériaux membranaires et nouvelles architectures - Propriétés liées à la structuration au niveau nanométrique 393
1.4. Exemples d'applications 404
1.5. Conclusions 414
2. Les surfaces ultrahydrophobes : synthèse, caractérisation et applications 415
2.1. Mouillage 415
2.2. Construction de surfaces ultrahydrophobes 424
2.3. Applications des surfaces ultrahydrophobes 431
2.4. Conclusion 434
Abréviations et sigles 444
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