Ionic liquids with and without transition metal nanoparticles for advanced heat transfer fluids and catalysis applications.

Abstract

Tecnologies de transferència de calor de nova generació, amb menys consum d'energia per al benestar de la societat són necessàries. En aquest sentit, els líquids iònics (ILS) són en l'actualitat els fluids més investigats per la seva major estabilitat tèrmica i la naturalesa no volàtil que els fan més avantatjosos que els fluids convencionals. A més, la dispersió de nanopartícules metàl·liques en els fluids convencionals també estan sent investigats en els últims temps a causa de la seva major conductivitat tèrmica, millora en la fluïdesa reduint el cost de bombament, i absència de sedimentació de sal. Aquestes característiques fan fascinants als nanofluidos (NFs) com una bona alternativa a les solucions salines convencionals per a aplicacions de transferència de calor. En aquest treball, ILS basats en el catió imidazoli es van preparar amb anions com ara clorur, bromur, iodur i tetrafluroborate. Diverses propietats termofísiques com la conductivitat tèrmica, capacitat calorífica, densitat i viscositat d'aquests fluids van ser investigades en detall. Com que només hi ha molt pocs treballs publicats sobre NPs de metalls de transició en líquids iònics per a aplicacions de transferència de calor, aquesta tesi s'enfoca en el disseny de les ILS desitjats i en el desenvolupament de materials compostos de metalls de transició NPs amb els ILS iònics preparats. Per a aquest propòsit, es van utilitzar NPs de ruteni (Ru) i plata (Ag). Les propietats tèrmiques d'aquests líquids iònics es van millorar mitjançant la preparació in situ de compostos d'ILS amb nanopartícules de ruteni sense utilitzar agents tensioactius, a temperatura ambient. Per a la preparació dels ionanofluidos (INFs) amb plata, es van utilitzar nanoparículas amb morfologies variables, de 1D, 2D i 3D. Aquests ionanofluids redueixen la viscositat de líquids iònics de base juntament amb la millora en la seva conductivitat tèrmica. Des d'aquesta perspectiva, un catalitzador de carbó amb 5% de ruteni amb àcid de Bronsted IL [Hmim] [HSO4] com un co-catalitzador va ser desenvolupat per hidrogenólisis selectiva del bio-derivat d'àcid levulínic (LA) gamma-valerolactona (GVL) , el qual és un additiu de combustibles.

Tecnologías de transferencia de calor de nueva generación, con menos consumo de energía para el bienestar de la sociedad son necesarias. En este sentido, los líquidos iónicos (ILs) son en la actualidad los fluidos más investigados debido a su mayor estabilidad térmica y la naturaleza no volátil que los hacen más ventajosos que los fluidos convencionales. Además, la dispersión de nanopartículas metálicas en los fluidos convencionales también están siendo investigados en los últimos tiempos debido a su mayor conductividad térmica, mejora en la fluidez reduciendo el coste de bombeo, y ausencia de sedimentación de sal. Estas características hacen fascinantes a los nanofluidos (NFs) como una buena alternativa a las soluciones salinas convencionales para aplicaciones de transferencia de calor. En este trabajo, ILs basados en el catión imidazolio se prepararon con aniones tales como cloruro, bromuro, yoduro y tetrafluroborate. Varias propiedades termofísicas como la conductividad térmica, capacidad calorífica, densidad y viscosidad de estos fluidos fueron investigadas en detalle. Como sólo hay muy pocos trabajos publicados sobre NPs de metales de transición en líquidos iónicos para aplicaciones de transferencia de calor, esta tesis se enfoca en el diseño de las ILs deseados y en el desarrollo de materiales compuestos de metales de transición NPs con los ILs iónicos preparados. Para este propósito, se utilizaron NPs de rutenio (Ru) y plata (Ag). Las propiedades térmicas de estos líquidos iónicos se mejoraron mediante la preparación in situ de compuestos de ILs con nanopartículas de rutenio sin utilizar agentes tensioactivos, a temperatura ambiente. Para la preparación de los ionanofluidos (INFs) con plata, se utilizaron nanoparículas con morfologías variables, de 1D, 2D y 3D. Estos ionanofluids reducen la viscosidad de líquidos iónicos de base junto con la mejora en su conductividad térmica. Desde esta perspectiva, un catalizador de carbon con 5% de rutenio con ácido de Bronsted IL [Hmim] [HSO4] como un co-catalizador fue desarrollado para hidrogenólisis selectiva del bio-derivado de ácido levulínico (LA) gamma-valerolactona (GVL), el cual es un aditivo de combustibles.

New generation heat transfer technologies with less energy consumption and improved economy are needed for welfare of the society. In this regard, ionic liquids (ILs) are most investigated fluids due to their higher thermal stability and non-volatile nature which make them more advantageous than the conventional fluids. In addition, dispersion of metal nanoparticles in conventional fluids are also being investigated in recent times due to their higher thermal conductivity, easy flow, which reduce pumping cost as well as no salt sedimentation. These fascinating features make NFs as a good alternative to the conventional salt solutions for heat transfer applications. In this work, imidazolium cation based ILs were prepared with variation in anions such as chloride, bromide, iodide and tetrafluroborate. Several thermophysical properties as thermal conductivity, heat capacity, density and viscosity of these fluids were investigated in detail. As there are only a very few reports available on transition metal NPs in ILs for heat transfer applications, this thesis work is focused on first designing the desired ILs and then developing composites of transition metal NPs with the prepared ionic ILs. For this purpose, NPs of ruthenium (Ru) and silver (Ag) were used. Thermal properties of these ILs were improved by in-situ preparation of composites of ILs with ruthenium nanoparticles without using capping agents or surfactants at room temperature. For preparing Ag containing ionanofluids (INFs), readily available NPs of Ag with variable morphologies, of 1D, 2 D and 3 D were used. These ionanofluids reduced the viscosity of base ILs along with the enhancement in their thermal conductivity. From this perspective, Carbon supported 5% ruthenium catalyst with Bronsted acidic IL [Hmim][HSO4] as a co-catalyst was developed for selective hydrogenolysis of bio-derived levulinic acid (LA) gamma-valerolactone (GVL) which is fuel additive.