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.