PLASMAS D’ÉLABORATION DE NANOPARTICULES MULTI-MÉTALLIQUES FONCTIONNELLES : CARACTÉRISTIQUES (TAILLE, COMPOSITION ET STRUCTURE CRISTALLINE) ET PROPRIÉTÉS CATALYTIQUES DES NANOPARTICULES SELON LES CONDITIONS PLASMA DE FORMATION

  • Doctorat
  • Orsay
Nom de l'entreprise / du laboratoire: LPGP
Encadrant: Jean Pascal BORRA
Date de début: octobre 1, 2022

L’interaction plasma-surface avec des micro-décharges filamentaires induites dans les décharges à Barrières Diélectriques conduit à la
vaporisation et la formation de nanoparticules par nucléation à partir des surfaces de métaux, d’oxydes métalliques ou de polymères
[1][2][3]. Ce projet vise à identifier les relations entre les conditions plasma de formation (intensité et durée de chauffage de l’électrode par
interaction plasma-surface et de refroidissement du panache de vapeur par expansion adiabatique) et les propriétés structurales et
fonctionnelles des produits nanométriques, qui en résultent. In fine, le but est de développer un procédé plasma de production de
nanoparticules aux propriétés contrôlées, en l’occurrence, pour la catalyse de la synthèse de Méthane (par la réaction de Fischer- Tropsch
à partir de Monoxyde de Carbone et d’Hydrogène).
Pour définir l’effet des conditions plasma de formation des nanoparticules, comme l’énergie déposée et la dynamique d’injection,
différentes décharges à pression atmosphérique permettent de générer des filaments de plasma non-thermiques, sur une large gamme
d’énergie, de 100 μJ à 100 mJ par filament : (streamers et arcs entravés) dans les DC Corona.
L’originalité de ce projet réside dans la possibilité de contrôler l’énergie et la dynamique d’injection de l’énergie dans les filaments d’arc
entravé. Cela devrait permettre de contrôler la structure cristalline des nanoparticules, notamment selon la température du spot
d’interaction plasma-surface, mais surtout selon la vitesse de trempe relative à l’expansion adiabatique du panache de vapeurs émises,
contrôlées indépendamment l’une de l’autre par les circuits RC extérieurs à la décharge d’arc entravé [1]. Pour cela, en parallèle de la
caractérisation électrique des décharge, la spectroscopie d’émission atomique au voisinage des points d’interaction plasma-surface
permettra le suivi temporel des flux vaporisés/condensés pour chacun des métaux de l’alliage initial et la caractérisation des
nanoparticules sera d’abord menée sur les particules en suspension (taille et concentration) en aval du plasma, puis après collection
(composition, structure), comme déjà réalisé : à l’IJL, sur les NP bimétalliques de CoNi produites par arc dans les liquides [4] et par arc
entravé du LPGP dans l’azote à pression atmosphérique, ainsi qu’au TUC sur les NP mono métalliques produites par DBD au LPGP [3] et
par un ‘spark generator’ commercial à TUC [5][6][7].
Il sera alors possible d’identifier les paramètres de contrôle des conditions de vaporisation, de formation des nanoparticules par nucléation
lors du refroidissement brutal causé par l’expansion adiabatique du panache de vapeurs et de leur agglomération.Le dernier volet concerne les propriétés fonctionnelles des nanoparticules par comparaison de la photo-émissivité [8][9] et de l’activité
catalytique (cinétique et rendement de conversion [5][6][7]) selon la composition et la structure cristalline des nanoparticules bimétalliques
pour la production de Méthane [8]-[12].
La catalyse hétérogène par les particules mono métalliques montre des limites contournées par l’association d’un deuxième métal.
L’association d’un deuxième métal permet de conserver l’activité catalytique du Nickel dans la fenêtre thermique de fonctionnement des
catalyseurs, en l’occurrence autour de 450°C pour la production de Méthane [8]. En effet, le Nickel seul présente une activité catalytique
qui évolue avec la température par empoisonnement du catalyseur (formation de produits carbonés adsorbés en surface au-delà de
385°C) et par frittage (réduction de surface apparente) [5][8][9], et inversement pour le Cuivre [10].
Par ailleurs, pour réduire le coût énergétique de la catalyse à chaud, une nouvelle stratégie de chauffage inductif des catalyseurs
métalliques a récemment été testée pour le reformage de méthane et la production d’hydrogène par association du Cobalt et du Nickel
[12]. Le chauffage inductif du Cobalt, possible jusqu’à sa température de Curie de 1000°C, permet alors de chauffer le Ni jusqu’à sa
fenêtre thermique de fonctionnement catalytique autour de 450°C, au-delà de sa propre température de Curie de 350°C, pour laquelle les
matériaux perdent la capacité d’être chauffé par induction magnétique [11][12].
Différents matériaux d’électrodes multi-métalliques (CoNi, CuNi) seront donc vaporisés pour tester si la stoechiométrie de la cible solide se
trouve modifiée dans les nanoparticules, selon la miscibilité des métaux associés, l’écart des températures d’évaporation et/ou des
pression saturantes respectives des métaux purs, d’une part et selon les conditions plasma de formation d’autre part.

Description détaillée:

Pour postuler, envoyez votre CV et votre lettre de motivation par e-mail à jean-pascal.borra@universite-paris-saclay.fr