28 Procédés catalytiques :
2.1.2. Les différents types de plasmas
Ils peuvent être classifiés en trois grandes familles selon le degré d’ionisation des gaz (équation 35). 𝛼 =𝑛+𝑛𝑛
0 éq.35
Où n représente la densité des espèces chargées
n0 représente la densité des neutres (atomes ou molécules).
Lorsque α<< 1 (10-7-10-4) le milieu est faiblement ionisé, et à l’inverse lorsque α≈1 le milieu est
totalement ionisé [83]. Il est commun de considérer que 1eV correspond à une température de 11 605 K. Etant donné qu’il faut fournir une énergie importante pour ioniser une molécule, plus le milieu est ionisé, plus la température y régnant est élevée.
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2.1.2.1. Les plasmas chauds
Quand, dans un milieu gazeux une quantité suffisante d’énergie est appliquée, les électrons peuvent
sortir du nuage électronique. Cela entraîne de nombreuses collisions entre les électrons, et crée des éléments plus lourds comme les atomes. Ce processus donne lieu à la formation de particules chargées (positives et négatives), qui sont les ions. Lors de ces collisions, les électrons perdent la faible quantité d’énergie qu’ils ont accumulée et la transmettent aux ions. Cela se traduit par une hausse de la température des ions. La température du gaz est généralement associée aux températures des espèces chargées présentes dans le milieu. Lorsqu’une faible différence de température entre les électrons et les particules plus lourdes est constatée, il est commun de parler d’équilibre thermodynamique local. Le milieu est totalement ionisé et la température au sein du plasma est alors homogène en tout point. Cet état est caractéristique des plasmas chauds. Ce type de plasma est courant dans l’univers puisqu’il se retrouve dans la plupart des étoiles, nébuleuses et autres astres. L’énergie (thermique) est ainsi fournie par les réactions thermonucléaires régnant au cœur des étoiles, où les températures peuvent atteindre quelques keV, voire MeV (107K). Les avancées technologiques
ont permis d’obtenir des plasmas similaires en laboratoire. Le développement de différents types de réacteurs (tokamak ou stellarators) permet de confiner le milieu ionisé afin de pouvoir réaliser une fusion contrôlée.
2.1.2.2. Les plasmas thermiques ou arcs électriques
Les plasmas chauds sont le résultat d’un équilibre thermodynamique où la température des électrons et celle du gaz sont assez proches. Les particules composant le milieu sont alors totalement ionisées. Un état intermédiaire peut être obtenu lorsque l’énergie fournie n’est pas assez importante et les espèces ne sont que partiellement ionisées. Ces plasmas sont caractérisés par une température de gaz élevée, 5-10eV, et un degré d’ ionisation α ≈ 10-2
.Ce type de plasma peut être observé dans la nature
sous forme d’éclairs. L’échauffement de l’air au passage de l’arc induit un claquement brutal responsable du tonnerre. Dans le domaine industriel, les plasmas thermiques sont souvent utilisés pour leurs fortes températures, notamment pour réaliser des soudures.
2.1.2.3. Les plasmas froids ou non-thermiques
Les conditions nécessaires pour atteindre l’équilibre thermodynamique sont extrêmes. Toutefois, de nombreux plasmas hors équilibres existent.
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Ils sont caractérisés par une haute température des électrons, qui peut atteindre quelques eV. Cependant, aucun échauffement de la température du milieu, qui reste près de l’ambiant, n’est constaté. Il est courant de parler de plasma non-thermique ou plasma hors équilibres lorsque Te >> Tg
(où Te est la température des électrons, et Tg la température du gaz) [83]. Les plasmas non-thermiques
permettent de fournir des espèces chargées qui peuvent interagir avec d’autres atomes ou molécules. Les aurores boréales sont de parfaits exemples de plasma froid. Elles sont issues de la rencontre de particules excitées (ou ionisées) en provenance du soleil et de la haute atmosphère terrestre. Il s’ensuit un changement d’état des atomes qui composent l’ionosphère. Ces derniers passent d’un niveau fondamental à un état excité. Par la suite, la désexcitation des particules entraîne l’émission de photons. La différence de couleur observée est due à la composition chimique de l’ionosphère et des raies d’émissions de l’azote, de l’oxygène et de l’hydrogène.
En laboratoire il est aussi possible de créer des plasmas non-thermiques. Pour ce faire, l’application d’une haute tension permet de générer des électrons fortement énergétiques. Ces électrons peuvent alors rentrer en collision avec des atomes ou des molécules plus lourds et ainsi les exciter et les ioniser. Ce processus permet de réaliser des réactions qui sollicitent une forte quantité d’énergie, transmise le plus souvent par l’intermédiaire de fours.
Plusieurs types de décharges peuvent être utilisées en laboratoire, en faisant varier la géométrie des réacteurs, les paramètres électriques ou encore les conditions de pression.
2.2. Les plasmas non-thermiques à pression atmosphérique
La pression peut influer sur la nature du plasma et plus précisément sur la température du gaz. Dans un plasma non thermique de manière générale :
𝑇𝑒 >> 𝑇𝑔
Avec Te : température électron
Tg : température du gaz
Il est courant de considérer la température du gaz comme étant la moyenne des températures des espèces excitées et ionisées.
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L’application d’une tension suffisamment élevée permet de fournir des électrons fortement énergétiques. A basse pression, toutes les collisions sont dites efficaces, cela se traduit par le fait que chaque choc fournit des espèces excitées. Puis, lorsque la pression augmente, le nombre de collisions augmente également, de par une plus grande abondance de molécules dans le milieu. Toutefois, les électrons perdent beaucoup plus leurs énergies en raison du nombre important de collisions inélastiques. Cela induit une diminution du nombre d’ionisations dans le milieu. Afin d’améliorer la qualité de la décharge, il est nécessaire de fournir une quantité plus importante d’énergie.
L’inconvénient majeur de la basse pression, est qu’elle requiert des dispositifs spécifiques car elle nécessite de travailler à pression réduite. Les plasmas non-thermiques réalisés à pression atmosphérique sont les plus communs dans les laboratoires, en raison de la facilité à mettre en œuvre des montages expérimentaux. Dans cette partie, seules les décharges réalisées à pression atmosphérique seront donc détaillées.
La fréquence appliquée peut également influer sur le comportement des électrons ou des ions présents dans le milieu. Les plasmas non-thermiques peuvent être divisés en trois types de décharges [84] :
• Basses fréquences : f < 100 kHz
• Radio fréquences : 100 kHz < f < 100 MHz • Micro-ondes: f > 100 MHz
La géométrie des réacteurs utilisés varie selon le type de décharge désiré. Plusieurs technologies existent d’ores et déjà, telles que les décharges couronnes, les décharges à barrière diélectrique (DBD) ou encore les torches plasma (radio fréquences ou micro-ondes). Leurs applications sont aussi diverses que variées, et peuvent servir aussi bien dans la chimie ([85]–[87]), que pour le traitement de surfaces [88]–[90]. Seuls les plasmas basses fréquences seront développés par la suite.