Etude de la cinétique chimique et des propriétés radiatives d’un plasma   d’arc

Synthèse par arc électrique

 Nous nous sommes focalisés dans ce travail sur la voie de synthèse par arc électrique qui a fait l’objet de nombreuses thèses antérieures effectuées dans l’équipe [Gourari a, Pacheco , Saidane ]. Des travaux expérimentaux (thèse en cours de Soumaya Ben Nasr) sont également menés en parallèle de ce travail et s’inscrivant dans le cadre du même 

 Dispositif expérimental 

La technique par arc électrique a été développée pour la première fois pour des applications de synthèse de NTC par Krätschmer et al. [Krätschmer ]. Elle consiste à établir une décharge électrique entre deux électrodes de graphite dans une enceinte remplie d’un gaz inerte. Les deux électrodes sont approchées (anode mobile et cathode fixe) jusqu’à ce que la distance interélectrodes soit assez faible pour qu’un arc électrique se déclenche. La décharge résultante permet d’augmenter le gradient de température interélectrodes qui peut atteindre la dizaine de milliers de kelvin. Un plasma (arc) est créé et il induit la sublimation du carbone au niveau de l’anode consommable. La cathode se recouvre au cours du processus par un dépôt de nanotubes. Lorsque le processus s’effectue sans catalyseur, les nanotubes synthétisés sont de types MWCNTs. Dans le cas contraire le mélange de graphite et de catalyseur permet de synthétiser des SWCNTs. 

 Catalyseurs, gaz inerte et pression du réacteur

 Dans les différentes techniques de synthèse et en particulier la synthèse des nanotubes (SWCNT) par voie d’arc électrique (ou plasma d’arc), on note l’utilisation de divers métaux de transition comme catalyseurs permettant la formation et la croissance des SWCNTs à savoir le Fer [Iijima c], le Cobalt [Bethune ] et le 2.3. Synthèse par arc électrique 7 Nickel [Saito b]. On note aussi l’emploi de catalyseurs bimétalliques comme le NiY qui est l’un des catalyseurs les plus performant pour la synthèse des SWCNTs [Journet , Takizawa ] comparé au Co-Ni, au Fe-Ni [Seraphin ] ou au Pt-Rh [Saito a]. Takizawa et al. ont montré que l’ajout d’une petite quantité de Y (1 at%) par rapport au carbone permet d’augmenter le taux de génération de suies dans l’arc de 2 à 3 fois plus comparée au cas du carbone seul. De plus l’addition d’une petite quantité de Ni a pour effet d’améliorer la génération de SWCNTs. Ils ont montré que dans un plasma d’Hélium (P=500 mbar) le diamètre du nanotube est contrôlé en changeant la concentration de Y de 0 à 9,0 at%, en revanche ce diamètre n’est pas sensible à la concentration du Ni de 0,2 -3,0 at%. Farhat et al. [Farhat b] ont montré que la fraction d’argon dans un mélange Ar-He joue un rôle très important sur les diamètres des nanotubes (SWCNTs). Plus la fraction molaire d’argon dans le mélange He-Ar augmente plus les diamètres des nanotubes sont petits comparés à ceux de l’hélium pur. D’autre part, Waldorff et al. [Waldorff ] ont constaté que le diamètre moyen des SWCNTs dans un plasma d’hélium pur est indépendant de la pression de la chambre d’arc (P=100 à 1000 mbar). En utilisant des électrodes en graphite dopés au bore sous une atmosphère d’azote Stephan et al. [Seraphin ] ont pu montrer la possibilité de modifier la structure des nanotubes (MWCNTs) où certains atomes de carbone sont remplacés par d’autres éléments chimiques (N, CN, etc.). Weng-Sieh et al. [Weng-Sieh ] ont pu aussi synthétiser des nanotubes de carbone en utilisant des électrodes en graphite dopés au B/N sous atmosphère d’hélium. Droppa et al. [Droppa ] ont pu obtenir des nanotubes dopés à l’azote en utilisant des catalyseurs de types Fe-Ni-Co sous une atmosphère d’hélium-azote. En utilisant une atmosphère d’azote et des électrodes contenant du bore Ben Belgacem et al. [Ben Belgacem ] ont pu aussi synthétiser des MWCNTs. Ces dernières années des travaux de recherches ont été effectués dans l’équipe concernant la synthèse/formation/croissance des nanotubes de carbone par plasma d’arc à électrode de graphite contenant du bore, du nickel/cobalt et de l’yttrium (B-Ni/Co-Y) immergé dans une atmosphère d’argon-hélium-azote, notamment les travaux de Saidane [Saidane ], de Pacheco [Pacheco ] et de Gourari et al. [Gourari a, Gourari c, Gourari b]. Cependant, le procédé de synthèse par arc électrique et en particulier la synthèse des SWCNTs dans ce type de mélange n’est pas complètement compris. En effet, il existe très peu d’informations sur la corrélation entre les paramètres plasmas (proportions de l’argon (Ar), l’hélium (He) et l’azote (N2), ratios des métaux (B-Ni/Co-Y) par rapport au carbone (graphite), pression, etc.) et les caractéristiques des nanotubes (morphologie, structure, composition chimique, etc.). Une bonne compréhension de ce procédé de synthèse nécessite tout d’abord la connaissance des propriétés thermiques des plasmas générés (compositions chimiques, propriétés thermodynamiques et radiatives et coefficients de transport). Ces dernières considérations sont à l’origine des travaux de recherche menées dans ce travail portant sur le calcul de certaines propriétés thermiques à deux températures pour des mélanges Ar-He-N2 [C100−x−y, Nix,Yy] et en particulier la composition chimique, les propriétés thermodynamiques (densité de masse, enthalpie massique et chaleur spécifique), et les propriétés radiatives (calcul des spectres d’émission des deux systèmes C2 Swan et CN Violet.