Simulation moléculaire d’électrolytes aqueux dans les carbones nanoporeux : “Energie bleue” et désalinisation de l’eau
2016-2019
AAP Emergence(s)
Partenaires
PHENIX
Description
Lors du mélange de l’eau douce des rivières avec l’eau salée de la mer, une quantité considérable d’énergie est dissipée. Plusieurs procédés sont actuellement à l’étude pour parvenir à exploiter cette énergie bleue. Inversement, ceci explique pourquoi la désalinisation de l’eau de mer pour la production d’eau potable nécessite de très grandes quantités d’énergie. Depuis la proposition en 2009 d’une nouvelle approche pour parvenir à ces deux objectifs, grâce à des cycles thermodynamiques reposant sur la charge/décharge d’électrodes à forte/faible concentration en sel, analogues aux cycles des machines thermiques tels que les moteurs, expérimentateurs et ingénieurs ont essayé d’améliorer le procédé.
Pour en augmenter l’efficacité, une approche semble s’imposer : augmenter la surface de contact entre électrodes et électrolyte, c’est-à-dire la solution saline dans laquelle sont plongées les électrodes, en utilisant des électrodes poreuses. En principe, plus la taille des pores, les “trous” de ces matériaux en forme d’éponges, sont petits, plus cette surface de contact est grande, ce qui permet d’accumuler plus d’ions, les espèces chargées issues de la dissolution du sel, à l’interface. L’utilisation d’électrodes nanoporeuses de carbone est alors une piste très prometteuse, car la taille des pores, de l’ordre du nanomètre, soit un milliardième de mètre, est la plus petite possible permettant d’accueillir les ions de l’électrolyte.
Un défi de taille reste à relever pour déterminer les quantités pertinentes pour les objectifs visés : capacité électrique, quantité de sel adsorbé et coefficients de diffusion en fonction de la composition de l’électrolyte et de la différence de potentiel entre les électrodes. En effet, les modèles traditionnels ne peuvent être utilisés dans ce cas où les interactions au niveau moléculaire jouent un rôle essentiel. C’est ce verrou que nous nous proposons de lever grâce aux simulations de dynamique moléculaire classique. Ce type de simulations, qui repose sur une description du système à l’échelle atomique tout en gardant un niveau de représentation suffisamment simple pour permettre la prise en compte de la complexité du système réel, fournit l’outil idéal pour aborder ces questions et comprendre les mécanismes microscopiques à l’origine des propriétés observées. Nous nous appuierons d’une part sur les outils et méthodes développées lors de travaux antérieurs sur les supercondensateurs utilisant des liquides ioniques ou des électrolytes organiques dans des carbones nanoporeux, d’autre part sur notre expertise concernant les solutions aqueuses en confinement extrême, par exemple dans le contexte très différent de l’argile.
A noter
La première publication issue de ce travail est parue dans Physical Review X. Elle a fait l’objet d’une alerte presse du CNRS, d’un communiqué de presse du RS2E, d’une intervention sur France Culture et d’une invitation à l’émission La Tête au carré du 7 mai 2018 sur France Inter. On en parle aussi ici et là.
Publications
- Blue Energy and Desalination with Nanoporous Carbon Electrodes : Capacitance from Molecular Simulations to Continuous Models
M. Simoncelli, N. Ganfoud, A. Sene, M. Haefele, B. Daffos, P.-L. Taberna, M. Salanne, P. Simon, B. Rotenberg, Phys. Rev. X 8, 021024 (2018) - Performance of Microporous Carbon Electrodes for Supercapacitors : Comparing Graphene with Disordered Materials
T. Méndez-Morales, N. Ganfoud, Z. Li, M. Haefele, B. Rotenberg, M. Salanne, Energy Storage Mater., 17, 88 (2019). - A molecular density functional theory approach to electron transfer reactions
G. Jeanmairet, B. Rotenberg, M. Levesque, D. Bor