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Développement de couches absorbantes à base de composites Al2O3-NiO pour des applications en énergie solaire thermique

Bintou Ouedraogo

Ph.D. thesis (2013)

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Efficient conversion of solar radiation into useful heat is characterized by the ability of the thermal solar conversion systems to capture and absorb the largest amount of solar radiation while minimizing losses by thermal emission. The solar collector performances depend on several parameters such as the elaboration processes, the optical and thermal properties of materials.
Various elaborations methods are employed and the composite coatings based on various materials are widely studied in order to improve yields. This is due to the increased interest in the development and efficient use of renewable energy sources. However, thermal efficiency of solar collectors is low ( 40 %) compared to optical yields ( 80 %). These efficiencies, in particular the thermal one, should be significantly improved. In addition their durability should be taken into account, because the thermal and chemical performance of some solar collector on the market are middling due to the poor quality of the materials which are used.
The main objective of this study is to develop layers absorbents based on composites in order to improve the optical and thermal performance and possibly the sustainability of the solar energy conversion technologies into heat and / or electricity. The layers have been developed using electrophoretic deposition technique (EPD) of dispersed nickel oxide (NiO) nanoparticles in alumina (Al2O3) matrix on nickel (Ni), aluminum (Al) or stainless steel (SS) substrates.
EPD process is based on migration of charged particles suspended in a fluid medium under the influence of an electric field (electrophoresis process) and the formation of deposit onto the oppositely charged electrode (deposition process). The mechanism studies of charges appearance and the suspension stability are primordial for any electrophoresis experience. Effectively, it is important to determine these aspects because the particles in suspension migrate only if they carry sufficient charge and only a very stable suspension is able to produce uniform deposits with high microstructural homogeneity.
Mechanism of creating the charge on particles surface: Oxide particle surfaces in air are usually covered by amphoteric hydroxyl groups. These suffer reaction with the H+/or OH- of a suspension liquid, which ion depending on the suspension pH and depending on pH, the particles surface charge can be positive or negative.
Mechanism of suspension stability: The presence of this surface charge around particles leads to the formation of the ionic atmosphere called the double-layer (Stern and diffuse layer). The measure of the potential at boundary of the Stern layer gives the value of the particles zeta potential is the magnitude characteristic of the state of particles surface charge. The particles zeta potential measurement could predict the stability of the suspension (high zeta potential is the sign of a suspension stability).
The first model used to describe EPD process is attributed to Hamaker [1] who proposed that, the deposited mass per unit area is proportional to the parameters related to the suspension stability properties, which are the suspension concentration and the electrophoretic mobility and those related to the physical and electrical fixed conditions of the deposition which the applied electric field strength and the deposition time. Electrophoretic mobility is proportional to the parameters related to the zeta potential and some parameters related to the solvent properties which the permittivity and the viscosity. The solvent has therefore a direct influence on the deposited mass and must be carefully chosen. Usually in EPD, organic (ethanol) and aqueous (water) solvents are used. Water is benefic because it provides a good stability and a fast kinetic but the disadvantages of electrolysis interferes with the quality of the film deposited [2]. Organic solvents (ethanol) have the advantage of high density and appropriate conductivity [3, 4]. However, the electric charge on the particles in these solvents is very low so that it's difficultly to obtain a stable suspension for oxide powders deposition [5].
In the first step of our study and in order to achieve our overall aim, we found it necessary to experiment two solvents whose pure ethanol and mixture ethanol-water. Monolithic Al2O3 and NiO films were deposited separately on Ni substrate by EPD from pure ethanol and mixture ethanol-water suspensions, stabilized with acetic acid in order to determine the optimum parameters of stability and deposits of each powder. However it was found from these studies that ethanol-water was more advantageous than pure ethanol for the electrophoretic deposition of Al2O3 and NiO suspensions. This was due to the higher stability and electrophoretic mobility of the powders suspension in this solvent than in pure ethanol. Denser and more homogeneous deposits are also obtained with the ethanol-water solvent than in ethanol. Furthermore the Al2O3 and NiO particles were positive electrical charges and their electrophoretic motilities are similar in this solvent. Accordingly the ethanol-water solvent will be used in the following works of this thesis to optimize
the EPD deposition of the Al2O3-NiO composites. Therefore these results are very useful for a proper achievement of the following works of the thesis. In particular the similar electrophoretic mobility of Al2O3 and NiO particles obtained in the ethanol-water solvent made possible these studies.
In the second step of our study, Al2O3-NiO composite containing 0 to 100 % NiO have been fabricated from the mixture powder in ethanol-water suspensions by adjusting the previous optimum parameters. All films were deposited on the cathode and theirs thickness could be controlled by adjusting the NiO content and the deposition time. Our experimental results illustrated clearly the advantage of EPD for the synthesis of Al2O3-NiO composites. The microstructures showed that the NiO particles were uniformly dispersed in the matrix of Al2O3. If the NiO content increases the particles distribution becomes more symmetrical, forming an interconnected matrix which inhibit Al2O3 grain growth. These different aspects spark our interest to study the relationship between the microstructures of the Al2O3-NiO composites and their mechanical properties. It was found that increasing the voltage beyond 150 V have generated the porous microstructures and reduced the deposited yield at NiO ≤ 40 %, probably due to the formation of spinel NiAl2O4 revealed by the XRD analysis.
In the third step of our study, we investigated the effects of NiO content, the sintering temperature and the applied voltage on the relative density, mechanical and electrical properties of these composites. The results revealed that, in contrast to the dense monolithic Al2O3, the addition of NiO ≥ 50 % nanoparticles has promoted sintering of composite coatings at relatively medium temperatures and a marked increment in the density, electrical conductivity and toughness of deposits. The micro-hardness was found inversely dependent of fracture toughness.
In the last step of our work, we have characterized the optical and thermal properties of Al2O3-NiO composites containing 60-85 % NiO on Ni, Al and stainless steel substrates. The comparison of their coefficients of solar absorption and thermal emissivity was determined using reflectance measurements in the solar spectrum and in infrared respectively. The effects of the nature of the substrate, the NiO content, the sintering temperature, the applied voltage of the EPD process and the deposition times on the optical properties of the fabricated composites were studied and
analyzed. Durability and thermal stability tests were performed. These various aspects studied in this thesis are presented in chapters V, VI, VII and VIII as four articles published or submitted.


Une conversion efficace du rayonnement solaire en chaleur utile est caractérisée par la capacité du dispositif de conversion solaire à capter et absorber la plus grande quantité du rayonnement solaire tout en minimisant les pertes par émission thermique. Les performances d'un capteur solaire dépendent de plusieurs paramètres dont les procédés d'élaborations, les propriétés optiques et thermiques des matériaux utilisés. Divers procédés d'élaborations sont employés et des revêtements de composite sont largement étudiés dans le but d'améliorer les rendements et en raison de l'intérêt accru pour le développement et l'utilisation efficace des sources d'énergie renouvelables. Cependant les rendements thermiques des capteurs solaires restent faible ( 40 %) par rapport aux rendements optiques ( 80 %) et doivent être améliorés. De plus leurs durabilités doivent être prises en compte car les performances thermiques et chimiques de certains capteurs solaires sur le marché sont médiocres dû à la qualité des matériaux utilisés.
L'objectif principal de cette thèse était de développer des couches absorbantes à base de composites dans le but d'améliorer les performances optiques et thermiques et éventuellement la durabilité des technologies de conversion de l'énergie solaire en chaleur et/ou électricité. Ces couches absorbantes ont été développées par la technique de dépôt électrophorétique (EPD) en dispersant des nanoparticules d'oxyde de nickel (NiO) dans une matrice d'alumine (Al2O3) sur des substrats en nickel (Ni), aluminium (Al) et acier inoxydable (SS).
L'EPD est basée sur la migration des particules chargées en suspension dans un milieu fluide sous l'influence d'un champ électrique (l'électrophorèse) et la formation du dépôt sur l'électrode de signe contraire à leur charge (dépôt). Les études des mécanismes d'apparition des charges (les particules ne migreront que si elles possèdent une charge suffisante) et de stabilité de la suspension seule une suspension parfaitement stable permet d'obtenir des dépôts de microstructures denses et homogènes) sont des étapes primordiales pour toute expérience d'électrophorèse.
Le mécanisme d'apparition des charges électriques: La surface des particules d'oxydes dans l'air se couvre généralement par des groupes hydroxyles amphotères (H + et OH –). Ces particules en suspension dans un solvant subissent une réaction avec les ions du solvant, et la charge de surface formée autour des particules peut être positive ou négative selon la valeur du pH de la suspension.
Le mécanisme de stabilité de la suspension: La présence des charges de surface autour des particules entraîne la formation d'une atmosphère ionique appelée «double couche» (couche de Stern et couche diffuse). La mesure expérimentale du potentiel à la limite de la couche de Stern donne la valeur du potentiel zêta des particules et permet de prédire la stabilité d'une suspension.
Le premier modèle utilisé pour décrire le processus de l'EPD est attribué à Hamaker [1] qui proposa que la masse déposée par unité de surface soit proportionnelle aux paramètres liés aux propriétés de stabilité de la suspension dont la concentration et la mobilité électrophorétique des particules et aux paramètres liés aux conditions physiques et électriques fixées du dépôt dont la tension et le temps de dépôt. La mobilité électrophorétique (vitesse des particules) est proportionnelle au potentiel zêta et à certains paramètres liés au solvant dont la permittivité et la viscosité. Le solvant a donc une influence directe sur la masse déposée et doit être judicieusement choisi. En EPD, les solvants aqueux (l'eau) et organiques (l'éthanol) sont utilisés. L'eau offre une bonne stabilité et une cinétique de dépôt rapide mais l'électrolyse de l'eau qui accompagne interfère avec les qualités des films déposés [2]. Les solvants organiques comme l'éthanol ont l'avantage d'une densité élevée et conductivité appropriée [3, 4]; cependant la charge électrique sur les particules dans ces solvants est extrêmement faible si bien qu'une suspension stable s'obtient difficilement pour le dépôt des poudres d'oxydes [5].
Dans la première étape de notre étude et dans le but d'atteindre notre objectif global, nous avons jugé nécessaire d'expérimenter deux solvants dont l'éthanol pur et le mélange éthanol-eau. Des films monolithiques de Al2O3 et NiO ont été déposés sur du Ni par l'EPD à partir des suspensions de l'éthanol pur et du mélange éthanol-eau, stabilisées avec de l'acide acétique afin de déterminer les paramètres optimums de stabilité et de dépôts de chaque poudre, conditions nécessaires pour synthétiser leurs composites. Les résultats ont montré les microstructures des dépôts d'Al2O3 et de NiO homogènes; aussi leurs masses déposées ont augmentées linéairement avec les temps de dépôt et les tensions appliquées en accord avec la loi de Hamaker. Cependant l'étude de comparaison des suspensions a montré le mélange éthanol-eau plus avantageux pour Al2O3 et NiO en termes de suspension plus stable, de mobilité électrophorétique plus élevée et des dépôts plus denses et homogènes. C'est donc tout naturellement que ce solvant a été retenu pour la suite de nos travaux. De plus dans ce solvant, à faible pH les particules d'Al2O3 et de NiO étaient chargées positivement et les valeurs de leur mobilité électrophorétique étaient proches. Ces résultats ont été très
intéressants pour la suite de nos travaux, car une condition nécessaire pour commander le processus de dépôt des composites de particules à partir du mélange de deux poudres est la même mobilité électrophorétique des deux constituants dans la suspension.
Dans la seconde étape de notre étude, des composites de particules de Al2O3-NiO contenant 0 à 100 % de NiO ont été fabriqués à partir du mélange des poudres et de l'éthanol-eau en ajustant les paramètres optimums précédents. Tous les films ont été déposés sur la cathode et leurs épaisseurs pouvaient être contrôlées en ajustant la teneur en NiO, le temps de dépôt ou le potentiel de déposition. Ce qui illustre clairement l'avantage de l'EPD pour la synthèse des composites de Al2O3-NiO. Les microstructures ont montré les particules de NiO uniformément dispersées dans la matrice d'Al2O3. La distribution devenait plus symétrique avec l'augmentation de NiO, formant une matrice interconnectée qui inhibe ainsi la croissance des grains d'Al2O3 et suscite l'intérêt d'étudier la relation microstructure et propriétés mécaniques. Une augmentation de la tension électrique au-delà de 150 V a engendré des microstructures poreuses et une réduction des masses déposées à NiO ≤ 40 %, probablement due à la formation du spinelle NiAl2O4 révélée par XRD.
Dans la troisième étape de notre étude, nous avons étudié les influences de la teneur en NiO, des températures de frittage et des tensions appliquées sur les densités, les propriétés mécaniques et électriques de ces composites. Les résultats ont révélé que contrairement à l'Al2O3 monolithique, l'ajout de nanoparticules de NiO ≥ 50 % a favorisé le frittage des revêtements à des températures relativement moyennes et une augmentation sensible des densités, des conductivités électriques ainsi que la ténacité des dépôts. La micro-dureté a été trouvé inversement dépendante de la ténacité.
Dans la dernière étape de notre thèse, nous avons caractérisé les propriétés optiques et thermiques des composites de Al2O3-NiO contenant 60 à 85 % NiO sur des substrats en Ni, Al et SS. Leurs coefficients d'absorptions solaires et émissivités thermiques ont été déterminés et comparés à partir des mesures de réflectances dans le spectre solaire et dans l'infrarouge respectivement. Les influences du choix du substrat, de la teneur en NiO, des températures de frittage, des tensions électriques et les durées de dépôts sur les propriétés sélectives ont été étudiées et comparées. Les tests de durabilité et de stabilités thermiques ont été effectués. Les résultats expérimentaux de tous ces travaux présentés dans les chapitres V, VI, VII et VIII font l'objet des articles publiés et soumis.

Department: Department of Chemical Engineering
Program: Génie métallurgique
Academic/Research Directors: Oumarou Savadogo
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1385/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 24 Jul 2014 11:17
Last Modified: 10 Nov 2022 13:41
Cite in APA 7: Ouedraogo, B. (2013). Développement de couches absorbantes à base de composites Al2O3-NiO pour des applications en énergie solaire thermique [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/1385/


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