Experimental and Theoretical Studies for Determining Adsorption Energies on Carbon Surfaces

Etudes expérimentales et théoriques en vue de terminer les énergies d'adsorption sur des surfaces carbonées Le réchauffement climatique, constaté depuis de nombreuses années, génère de profondes inquiétudes en raison des effets observés, tels que l'amplification des évènements extrêmes, les incendies de forêt et l'élévation du niveau de la mer. Les activités humaines, en particulier la combustion de la biomasse et du charbon, les émissions industrielles et la pollution automobile, sont les principaux responsables de ce réchauffement.Les particules (PM), telles que la suie ou le noir de carbone, présentent des risques immédiats pour la santé, car elles ont un impact sur la santé respiratoire et cardiovasculaire. Les particules carbonées présentent une grande surface d'adsorption pour les polluants tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Néanmoins, les matériaux à base de carbone tels que le charbon actif, les nanotubes de carbone et le graphène présentent diverses applications (filtration, électronique, capteurs...) grâce à leurs propriétés uniques (conduction, rigidité, caractère réfractaire...). En élucidant les interactions entre les polluants, notamment les HAP, et les surfaces de carbone, il est possible de s'attaquer plus efficacement aux problèmes environnementaux et de progresser vers des développements industriels. Cette interaction est principalement influencée par la composition chimique de la surface et la nature de l'adsorbat, et peut être évaluée à l'aide de méthodes expérimentales et théoriques.À cette fin, cette thèse présente une méthodologie expérimentale innovante qui combine l'irradiation laser d'une surface carbonée (HOPG) et la détection rapide résolue dans l'espace de l'incandescence induite par laser (LII). Les processus d'adsorption/désorption sont pilotés par la température de la surface, qui est donc un paramètre crucial pour déterminer l'énergie d'adsorption. L'évolution spatio-temporelle de la température de surface a été estimée précédemment à l'aide de méthodes de simulations. Dans ce travail, nous avons mis l'accent sur la détermination expérimentale des profils temporels et spatiaux de la température avec une résolution temporelle de l'ordre de la nanoseconde et une résolution spatiale de l'ordre du micromètre. La compréhension de ces profils permet de déterminer les taux de désorption des molécules de HAP adsorbées avec une couverture inférieure à la monocouche sur les surfaces de HOPG.Le travail expérimental a été complété par une approche théorique au niveau moléculaire pour étudier l'interaction entre les HAP et plusieurs formes de surfaces carbonées. Cette méthode complémentaire repose sur des calculs de dynamique moléculaire basés sur des champs de force (FF-MD) et de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) périodique. Ces méthodes ont permis de déterminer les énergies d'adsorption de divers HAP sur des surfaces carbonées parfaites ou présentant des défauts ponctuels. Dans cette thèse, l'adsorption de différents HAP adsorbés sur une surface de graphite et de HOPG a été caractérisée, et les résultats des deux méthodes de calcul montrent un très bon accord avec les énergies d'adsorption déterminées expérimentalement et rapportées dans la littérature.En conclusion, ce travail présente un développement expérimental substantiel permettant la détermination des énergies d'adsorption sur la base de la mesure de températures réelles et des calculs à l'échelle moléculaire sur des surfaces carbonées représentatives et des molécules adsorbées. Les approches expérimentales et théoriques ouvrent des perspectives pour l'étude de divers systèmes molécule-surface.