Pertinence des comparaisons avec et sans catalyseur

L’ensemble des résultats de destruction de COV et de production des produits d’oxydation (en particulier CO2) sont pratiquement toujours tracés en fonction de la densité d’énergie injectée

dans le plasma Einj, exprimée en J/L. En effet, sauf dans des cas très particuliers (alimentation de

tension pulsée avec des fronts de montée de l’ordre de la nanoseconde par exemple), l’énergie des électrons est essentiellement contrôlée par la nature du gaz qui est traversé puisque la propagation des filaments est dirigée par le champ créé dans la tête du streamer. Par conséquent Einj est en

première approximation proportionnel au nombre d’électrons ayant commutés et donc au nombre d’espèces actives créées par le plasma. Si pour une même densité d’énergie E_inj, la destruction est meilleure en présence de matériau cela signifie donc que les espèces créées par le

plasma ont été utilisées plus efficacement grâce au matériau. Cependant ce raisonnement n’est valable que tant que le plasma n’est pas trop modifié par la présence du matériau.

Lorsque la comparaison est faite entre un réacteur vide (plasma seul) et un réacteur rempli de billes de catalyseur (packed bed reactor), si la destruction est plus efficace dans la deuxième configuration il est impossible de savoir si le catalyseur a véritablement agit chimiquement ou pas. Le fait de remplir l’espace inter électrode de matériau a pour effet de créer des décharges de surface le long du matériau, exactement comme dans les réacteurs de type « actuator » [ Moreau 05] (cf. Fig 5). La nature même de la décharge est modifiée. La comparaison est donc intéressante d’un point de vue procédé mais elle ne permet pas de savoir si le catalyseur a un autre impact que d’alimenter la décharge en électrons secondaires.

Pour tenter d’identifier l’effet du catalyseur, certaines publications comparent un réacteur rempli de catalyseur ayant une activité chimique (métaux nobles par exemple), avec le même réacteur rempli de billes de silice. Dans ce cas, le plasma est toujours une décharge de surface et donc le blanc obtenu est plus proche de la situation avec catalyseur. Cependant il est quasiment impossible d’avoir des surfaces de natures chimiques différentes ayant les mêmes caractéristiques géométriques (surface spécifique, porosité…). La comparaison a donc là encore ses limites.

7.3

L’approche adoptée

Les objectifs de cette étude sont d’une part d’essayer de prouver ou d’invalider l’existence d’une activité photocatalytique lorsque le TiO2 est soumis à un plasma, et d’autre part d’identifier les

mécanismes, photocatalytiques ou non, impliqués dans l’interaction entre un plasma et le TiO2.

Les contraintes sont liées à la complexité des phénomènes transitoires que sont les filaments de plasma dans une DBD dans l’air, et à la multiplicité des modifications apportées par un matériau quel qu’il soit, inséré dans un plasma. Certaines règles ont donc été suivies lors de toutes les expériences pour parvenir à séparer les différentes contributions intervenant dans la destruction d’un COV :

1) garder tant que possible le même type de décharge plasma avec et sans catalyseur

2) utiliser une molécule de polluant test suffisamment simple pour limiter la complexité des voies réactionnelles

3) tester l’activité photocatalytique maximale qu’il est possible d’atteindre dans nos expériences en effectuant chaque mesure avec et sans irradiation UV additionnelle.

4) Utiliser des matériaux catalytiques permettant d’avoir des géométries et des porosités comparables avec et sans TiO2 pour tenter de séparer les effets de porosité des effets de

photocatalyse pure.

Ces quatre points nécessaires à la compréhension de l’interaction plasma/TiO2 imposent des

contraintes sur le choix du réacteur, du polluant et du catalyseur utilisé.

- le réacteur plasma principal est une DBD dont l’espace inter électrode n’est jamais rempli de catalyseur afin que le plasma soit toujours constitué de filaments devant traverser un espace gazeux, que ce soit avec ou sans catalyseur. Le TiO2 est donc plaqué sur une paroi du réacteur et son épaisseur doit être négligeable devant la largeur de l’espace inter électrode.

- La molécule de polluant test retenue est l’acétylène (C2H2). C’est la plus petite molécule

avec au moins deux atomes de carbone (pour qu’il y ait une liaison carbone-carbone à casser) dont l’oxydation n’a jamais été étudiée ni en photocatalyse, ni en couplage plasma/catalyse.

- Enfin le catalyseur utilisé est constitué d’un support inerte (fibre de verre) sur lequel sont déposées des quantités variables de particules de SiO2 ou de TiO2 permettant de

modifier la surface spécifique des matériaux testés. Ces catalyseurs sont fournis par la société Alström dans le cadre de la thèse de Frédéric Thévenet au LACE et ils seront décrits plus en détail dans le prochain chapitre.

Malgré cela les plasmas à pression atmosphérique restent très difficiles à étudier d’un point de vue expérimental. La dynamique des phénomènes d’adsorption/désorption sur le TiO₂ dans une phase plasma est par exemple totalement inaccessible à la pression atmosphérique avec les diagnostics actuels. Une approche originale a donc été adoptée dans cette étude : une décharge DC pulsée à basse pression (de l’ordre du mbar) est utilisée comme outil pour mettre en évidence l’existence de certains types d’interactions inobservables à pression atmosphérique, en parallèles des mesures effectuées sur la DBD.

7.4

Intérêt d’une décharge DC pulsée à basse pression