Il y a un intérêt grandissant pour le développement des technologies plasmas pour la production de NC. L’avantage principal des technologies plasmas réside dans le découplage entre le gaz de réaction et la source d’énergie pour maintenir la réaction à haute température: les procédés plasmas se différentient donc des procédés commerciaux par l’utilisation d’électricité comme source de chaleur pour la production de NC. Les procédés plasmas ont aussi l’avantage de pouvoir être très efficace (masse de carbone solide recueilli / masse de carbone du précurseur): avec les plasmas thermiques une efficacité de 100 % peut être atteinte. Les plasmas peuvent aussi atteindre des températures de réaction très élevées allant de 2 600 °C jusqu’à 10 000 °C. Le procédé plasma se classe parmi la catégorie des procédés de décomposition thermique. Par rapport au procédé de combustion incomplète, les procédés plasmas ont l’avantage d’être plus verts: pas de production de CO et de CO2 11
Plusieurs études ont démontré que les procédés plasmas étaient en mesure de produire différents types de NC (autant les grades issus du procédé de combustion incomplète que des procédés de décomposition thermique). Pour une revue complète de la littérature sur l’utilisation des procédés plasmas pour la synthèse de NC, veuillez consulter la référence [22]. L’utilisation des procédés plasmas remonte aux débuts du 20ième siècle avec le dépôt des premiers brevets en 1920 par J.R. Rose pour la production de NC avec précurseur gazeux et un arc électrique [23]. En 1951, les travaux menés par D. Gardner mirent l’emphase sur le contrôle in situ des propriétés physico-chimiques du NC produits (diamètre des PP et composition chimique) [24]. Par la suite, C. Sheer et S. Korman furent les premiers à proposer une technologie plus sophistiquée pour la production continue de NC sous atmosphère de gaz noble (utilisation de précurseurs de carbone gazeux et liquides et des jets de vapeur d’eau pour contrôler le temps de réaction , d’oxyde nitrique ou d’oxyde de soufre. Le ‘byproduct’ de la synthèse de NC par plasma est l’hydrogène. Comme nous le verrons dans cette section, les procédés plasmas sont en mesure de produire différents grades de NC avec de petites PP (<25 nm) dont des grades ayant des caractéristiques physico- chimiques uniques.
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et de croissance des NC) [25]. En 1966, la production de NC à haut niveau de structure fut étudiée par H.K Orbach à l’aide d’un arc électrique en courant continu (CC) en utilisant des HPA comme précurseurs de carbone [26]. Avec une torche inductrice à radio fréquence (RF), M.E. Jordan a démontré la versatilité des procédés plasmas pour produire différents grades de NC [27-29]. En 1967, Latham a porté une attention particulière à l’optimisation de la configuration des électrodes pour former un arc électrique (stabilisé par une injection de gaz hélicoïdale) et optimise l’injection du précurseur de carbone dans la zone de décomposition afin d’assurer une conversion maximale du gaz précurseur de carbone en NC [30]. En 1978, V.F. Surovikin et al. ont utilisé de la vapeur d’eau dans un plasma à arc électrique CC afin d’optimiser l’homogénéité et de contrôler les propriétés physico-chimiques du NC produits [31]. En 1984, avec une torche plasma CC, Hoffman a étudié l’effet d’ajout d’additifs pour améliorer les processus de nucléation du NC [32]. En 1986, K.S. Bolouri et al. ont utilisé une torche plasma inductive à haute fréquence afin de produire un NC comparable au noir d’acétylène [13]. En 1994, Y. Schwob et al. ont développé un nouveau procédé plasma (arc électrique alternative triphasée) très flexible qui permet de produire autant les grades caoutchouc et conducteur que de nouveaux grades uniques à haute graphitisation [33]. Au début des années 2000, la compagnie Kvaerner a développé un projet pilote de synthèse de NC avec une torche plasma CC. Même si la faisabilité économique du réacteur a été démontrée, le projet n’a pas été en mesure d’atteindre la maturité voulue et a été abandonné pour des raisons inconnues [34]. Dans la littérature, il y a plusieurs groupes de recherche qui utilisent des programmes de simulations des cinétiques réactionnelles afin d’optimiser la formation de NC (efficacité) pour le procédé plasma [35-37]. À l’Université de Sherbrooke, à l’aide d’une torche à plasma RF et avec le dodécane (précurseur de carbone), L. Merlo-Sosa et al. ont produit un NC avec des PP de diamètres entre 10-30 nm et avec une surface spécifique de 130 m2/g [36]. Ils ont noté aussi la présence de nouvelles structures à haute graphitisation dans les dépôts produits. Il est aussi intéressant de citer les travaux de K.S. Kim et al. effectués avec une torche plasma hybride (RF + CC) [38]. Ces derniers ont produits un NC avec des PP de diamètre moyen autour de 20-50 nm et avec une surface spécifique entre 52-385 m2/g. Ils ont aussi été en mesure de produire de nouvelles structures à graphitisation élevée appelées les structures épineuses ou en épine (de l’anglais
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‘thornbush’). Par ailleurs, ils ont remarqué aussi que la structure du NC produit dépend de la localisation de ce dernier dans le réacteur (produit inhomogène).
Jusqu’à tout récemment, la majorité des travaux concernait principalement l’utilisation des plasmas chauds (plasmas thermiques). Le groupe de L. Fulcheri12
a travaillé sur la production de NC par plasma chaud [39-42] et par plasma froid (plasmas non thermiques) [43]. À l’aide de leur plasma chaud (arc électrique alternative triphasée), ils ont été en mesure de produire du NC avec des PP de diamètre moyen autour de 50 nm, une surface spécifique entre 52-80 m2/g et un taux de production de l’ordre des kg/h [40]. Dans leur dépôt, ils ont aussi noté la présence des coquilles de carbone creuse similaire à des fullerènes géants et distordus. M. Moreno-Couranjoua et al. ont aussi étudié l’utilisation des plasmas froids pour la synthèse de NC [43]. Elle a en outre été en mesure de produire différents types de NC : des NC à PP de type poreuse, de type noir d’acétylène et de type noir de fournaise. Elle a aussi produit de nouvelles structures à haute graphitisation appelées les feuillets graphitiques froissés (FGF). Le Tableau 1.3 présente un sommaire des avantages et des désavantages de l’utilisation des technologies plasmas pour la production de NC en comparaison aux principaux procédés de production commerciaux.
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Tableau 1.3 : Comparaison des avantages et désavantages pour différentes technologies de production du NC Procédé de synthèse du NC Avantages Désavantages Procédé fournaise - Réacteurs et conditions de synthèse standardisés -Grande flexibilité pour la production de grade de NC pour le caoutchouc
- Technologie peu coûteuse
- Faible température limitée par les réactions chimiques avec O2
- Ne peut pas produire de grades à haute graphitisation
- Présence d’impuretés, polluant Procédé acétylénique - Haute température - Réacteurs et conditions de synthèse standardisés - Production de grades à graphitisation élevée - Pureté du produit élevée - Production d’H2
- Température d’opération limitée par la cinétique de décomposition
d’acétylène
- Ne peut pas produire des grades avec de hautes surfaces spécifiques
Procédé plasma - Possibilité de très haute température (> 3000 °C) - Pureté du produit élevée - Production d’H2 - Possibilité de produire de nouveaux grades de NC à haute graphitisation - Aucune standardisation - Coûteux (électricité) - Complexité technologique - Utilisation de gaz rares - Source d’électricité à partir des énergies non renouvelables