Dans le cadre de cette thèse, une torche plasma micro-onde de type Torche à Injection Axiale sur Guide d’Onde (TIAGO) est utilisée pour la production de NC (voir la Figure 1.11): cette torche permet de produire un plasma froid13
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En réalité, ce plasma est plutôt tiède car la température des ions et du gaz peut-être élevée localement, même si elle est plus faible que la température des électrons.
. La torche TIAGO a été conçue par le professeur Michel Moisan de l’Université de Montréal pour la neutralisation des effluents gazeux nocifs [44]. Pour produire le NC, le design initial de la TIAGO proposé par le professeur M. Moisan a été légèrement modifié afin de permettre un meilleur contrôle et une plus grande stabilité d’opération. Ces modifications ont permis l’introduction d’un gaz de gaine qui stabilise le plasma : comme montré à la Figure 1.12,
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les modifications ont mené à l’introduction d’un tube central en molybdène en position coaxiale avec la buse d’injection et dont l’extrémité est en forme de tuyère.
La Figure 1.11 schématise les principaux éléments du montage utilisé pour la production du NC. Le réacteur plasma est composé des éléments suivants: un magnétron de marque CoberMuegge en alimentation continue à 2,45 GHz pouvant fournir 3 kW et refroidi par une circulation d’eau continue, un guide d’onde de forme rectangulaire, un aimant pour rediriger le rayonnement micro-onde réfléchie en direction de la source vers une charge (l’eau), un applicateur de champ électromagnétique composé d’une buse en molybdène (diamètre interne de 2,8 mm) et d’un guide d’onde à section restreinte, un tube en molybdène pour l’injection centrale (diamètre interne de 0,8 mm), un court-circuit positionné de manière à optimiser le transfert de puissance au plasma et à minimiser la fraction de la puissance incidente réfléchie vers la source magnétron, une chambre de réaction composé d’un tube en quartz ayant un diamètre interne de 6,6 cm, et d’un module de sortie où un filtre en papier permet de retenir le NC produit dans l’enceinte de production.
Les gaz sont insérés dans la zone de réaction à l’aide de plusieurs contrôleurs de masse de type MKS Instruments. Inc. (qui sont contrôlés par un ordinateur à l’aide du programme Labview). Au besoin, un four cylindrique de marque Omegalux est utilisé autour du tube de quartz pour contrôler la température dans la zone de formation du NC (jusqu’ à 950 °C); dans ce cas, une circulation d’eau est utilisée pour refroidir la base du tube de quartz. Il est très important d’utiliser un bouclier autour du réacteur pour bloquer les micro-ondes (blindage avec une cage de Faraday); un grillage dont la dimension des mailles est beaucoup plus petite que la longueur d’onde des micro-ondes entoure le tube du quartz. Sur la Figure 1.11, il est important de noter que la section du guide d’onde contenant l’applicateur du champ électromagnétique est isolée de l’air par des feuilles en téflon. Avant chaque expérience, l’enceinte de réaction est purgée pendant plus de 20 min avec des gaz nobles (typiquement avec un débit de 5 slpm d’argon et d’hélium) de manière à évacuer l’air initialement présent.
Le principe de formation du plasma est le suivant : les micro-ondes sont générés par la source magnétron et se propagent dans le guide d’onde rectangulaire selon le mode fondamentale TE10 pour établir une onde stationnaire dont un ventre (maximum du
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champ électrique) coïncide avec la position de la buse d’injection du plasma. La buse permet de convertir le mode fondamentale de propagation en un mode TEM coaxiale [45] et de concentrer le champ électrique: l’accélération des électrons libres dans le gaz permet d’initier les avalanches14 qui génère le plasma à l’apex de la buse.
Figure 1.11 : Schéma de la torche plasma micro-onde utilisée (TIAGO)
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L’avalanche se produit quand un électron accéléré par le champ électromagnétique permet de produire plus d’un ion et d’un électron dans le gaz avant d’être thermalisé ou recombiné.
Gaz de gaine
E H
K
Guide d’onde à section variable
Injection et purge du guide d’onde (gaz de purge) Coeur du plasma Gaz central Feuille de Teflon Tube en quartz Court-circuit variable Flamme (halo) Four et thermocouple
Refroidissment à l’eau Buse d’injection
Tube d’injection centrale Feuille de Teflon
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Figure 1.12 : Grossissement sur l’applicateur de champ électromagnétique
Pour faciliter l’initiation de la décharge, un filament métallique (en tungstène) est introduit près de la buse: ce dernier amplifie le champ électrique (effet de pointe) et émet des électrons. Dès que le plasma est initié, le filament métallique est retiré de la zone de réaction. Le Tableau 1.4 présente les principales conditions de fonctionnement de la torche TIAGO.
Gaz central Gaz de gaine
Gaz de purge (guide d’onde)
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Tableau 1.4 : Conditions et paramètres de fonctionnement du réacteur
Paramètres Descriptions Commentaires
Puissance 300-900 W
Puissance standard : 500 W
Maximum 1kW pour notre système15
Débit et composition du gaz central (gaz plasmagène) Ar et/ou He avec C2H4 Débit standard : 1,25 slpm avec balance d’hélium
Flexibilité dans le choix des précurseurs de carbone. Au besoin, on y introduit un gaz précurseur d’azote pour la
fonctionnalisation. Au besoin, on y introduit un gaz précurseur de carbone contenant de l’oxygène. Débit et composition du gaz de gaine Débit standard : 2,2 slpm d’un mélange Ar /He (30/70) Composition fixe
Permet de stabiliser le plasma Débit et composition du gaz de purge (guide d’onde) Débit standard : 2,5 slpm d’hélium avec une faible quantité de CH4
(0,015 slpm) ou d’acétonitrile (pour la fonctionnalisation)
Le CH4, ou un gaz polyatomique, est
essentiel pour stabiliser le plasma et limiter l’arcage dans le guide d’onde. Au besoin, on introduit un gaz précurseur d’azote pour la fonctionnalisation.
Pression ≈ 1 atm La formation de dépôt sur le filtre de sortir peut affecter la pression interne. Taux de
production
0,1 à 5 g/h Dépend fortement de la composition du gaz (précurseur de carbone, gaz de fonctionnalisation..) et des conditions de synthèse (puissance, temps de résidence, température du four, composition des gaz) Efficacité de conversion16 <20-25 % (≈ 100 kWh/kg) Idem Paramètres typique de la décharge TIAGO [46] Densité électronique ≈ 1015cm-3 Température électronique ≈1 eV Température gaz ≈ 3000 K (typiquement entre 1000-4000 K)
Plasma de type filamentaire
La profondeur de peau est entre 0,1 à 1mm
Plasma tiède
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Les torche TIAGO peuvent aller jusqu’à 10 kW quand la buse est refroidie. 16
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Comme schématisé à la Figure 1.13, la flamme du plasma produit par la torche TIAGO est composée de deux régions distinctes : un cœur et un halo. Le cœur du plasma est très lumineux (de couleurs blanche et verte) et ne peut pas être observé à l’œil nu : le port de lunette de sécurité est nécessaire lors de l’utilisation de la TIAGO. C’est dans le cœur du plasma que la densité et la température des électrons sont maximales (si on ne tient pas en compte des phénomènes de filamentation17
Les principaux mécanismes de perte de chaleur du plasma de la torche TIAGO sont le rayonnement (gaz plasmagène, C2, particules de carbone chaudes) et le chauffage
du gaz par les collisions dans le plasma. De plus, il n’est pas exclut que les particules de carbones formées puissent être chauffé directement par le rayonnement micro-onde non absorbé dans par le plasma (chauffage inductif). À 500 W de puissance micro-onde, la température du quartz est typiquement de 125 à 185 °C après 5 min de fonctionnement: lorsque la température est mesurée à différentes positions sur le tube en quartz, d’importantes variations de température en fonction de la distance par rapport au plasma sont notées. Cette inhomogénéité spatiale et temporelle de la température peut avoir des conséquences négatives sur la production de NC.
) et que la température du gaz est maximale (> 3 000 K). Le cœur du plasma mesure moins de 5 mm de diamètre et se déplace sur la buse d’injection : ce mouvement crée de l’inhomogénéité spatiale et temporelle. Le halo est de couleur jaunâtre (similaire au jaune observé dans les flammes classiques ou pour les flammes de chandelle ou d’allumette). La couleur du halo est caractéristique de l’émission d’un corps noir en équilibre thermique autour de 1 200 °C (la température du halo a été estimée à l’aide d’un pyromètre optique). Le rayonnement dans le halo est produit par les particules de carbone très chaudes (après leur formation) qui se refroidissent.
Dans le cadre de cette thèse, le NC est recueilli en grattant, à l’aide d’une pelle, la paroi intérieure du tube en quartz. Le NC est ensuite passé au mortier pour finalement obtenir une poudre ‘homogène’.
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Figure 1.13 : Schématisation du plasma lors de la production de NC (pas à l’échelle) 10cm 2,5cm Température de paroi ≈125oC (sans four) Température du halo ≈1200oC (pyromètre) Tube en quartz Dépôt de NC Gaz Dépôt de NC
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