Nanostructures de Carbone par Plasma

Les recherches, menées conjointement depuis plus de dix ans par l’Ecole des Mines de Paris et l’IMP-CNRS, portent sur la synthèse de nanostructures de carbone à très haute température par plasma thermique. Initialement orientées vers le développement d’un procédé alternatif (à ceux basés sur la combustion incomplète) pour la synthèse de noirs de carbone à partir du craquage d’un hydrocarbure, les recherches se sont élargies vers la synthèse de nouvelles nanostructures de carbone de type Fullerènes et nanotubes, lesquelles nanostructures font aujourd’hui l’objet d’un grand intérêt dans des domaines d’applications extrêmement variés. L’approche, de type Génie des Procédés, a consisté à synthétiser des nanostructures de carbone à partir de différentes conditions opératoires, à les caractériser et étudier les relations procédé-produits dans le but d’optimiser le procédé pour les diverses familles de matériaux. Une des originalités de la démarche est liée à la technologie plasma triphasée, développée à une échelle intermédiaire entre le dispositif de laboratoire et un pilote industriel qui permet la production de matériaux en quantité significative (de l’ordre du kilogramme par heure) rendant possible la conduite des tests applicatifs dans les différents domaines concernés.

Sur un plan théorique, les recherches se sont concentrées sur la caractérisation de l’écoulement à l’intérieur du réacteur, écoulement qui apparaît comme un paramètre clé pour la maîtrise et l’optimisation du procédé. L’approche a notamment porté sur l’étude le mouvement d’arcs libres entre les trois électrodes du système triphasé, sur la prise en compte de ce mouvement dans un modèle d’écoulement turbulent global ainsi que sur l’effet des particules de carbone sur les transferts radiatifs.

Sur un plan expérimental, parallèlement au développement de la technologie plasma et de dispositifs de métrologie et de diagnostics adaptés (pyrométrie optique, spectroscopie d’émission,…), la démarche a consisté à synthétiser les différentes familles de nanostructures : noirs de carbone, fullerènes, nanotubes, à partir de précurseurs carbonés liquides, solides ou gazeux éventuellement associés à des éléments catalytiques (Ni, Co, Y) pour différentes conditions opératoires (précurseur, gaz plasma, débit, puissance électrique,…) et à relier les conditions opératoires du réacteur aux caractéristiques et propriétés des produits formés.

La caractérisation physico-chimique des nanostructures a été réalisée en collaboration avec de nombreux laboratoires Européens à partir des méthodes d’analyses classiques (BET, DBP, ATG, composition chimique, Ph, Diffraction-X, Spectro UV-Vis,…) et d’imagerie (MEB,MET). Parallèlement, des tests « applicatifs » ont été réalisés en interne dans le domaine du stockage d’hydrogène ainsi que par la société ERACHEM dans le domaine des polymères (résistivité électrique, comportement mécanique et rhéologique) des élastomères (comportement mécanique et rhéologique) et des piles (primaires et secondaires) à partir de procédures de tests standardisées.