Investigation of fundamental mechanisms of CO2 plasmas

Étude des mécanismes fondamentaux des plasmas de CO2 Les plasmas froids constituent l’une des voies les plus prometteuses pour recycler efficacement le CO2 en carburants de synthèse ou en molécules de base pour la chimie organique « verte ». Pour obtenir des rendements énergétiques satisfaisants, il est nécessaire de bien contrôler les transferts d’énergie vibrationnelles dans la molécule de CO2 considérés bénéfiques pour la dissociation, mais aussi l’énergie transférée aux états électroniquement excités ainsi que les processus de recombinaison de O avec CO. Toutefois, en dépit d’une littérature conséquente sur les lasers CO2 et les plasmas de rentrée atmosphérique, de nombreux processus essentiels à la description des plasmas de CO2 sont encore très mal compris. Cette thèse a donc pour objectif de réaliser des mesures dans des conditions suffisamment bien contrôlées pour identifier et étudier certains de ces mécanismes. Pour y parvenir Deux types de sources de plasma, une décharge "luminescente" DC et une décharge radiofréquence (RF) ont été étudiées à basse pression (27-1000 Pa) ce qui ralentit les temps caractéristiques des différents processus. Ces sources plasmas ont été étudiées à l’aide de techniques optiques de pointe complémentaires afin d’obtenir dans un même système, tous les paramètres pertinents pour une description complète du plasma. Ainsi les densités et températures vibrationelles de CO2 et CO ont été mesurées par spectroscopie d’absorption infrarouge (FTIR), la densité et les fréquences de perte des atomes d’oxygène par TALIF haute résolution, actinométrie et CRDS, alors que des mesures d’échanges isotopiques ont donné des informations notamment sur le rôle de O(1D). La plupart de ces techniques permettent également de déterminer la température du gaz illustrant simultanément la précision et la cohérence des mesures obtenues par différentes techniques.Toutes ces mesures ont pu être réalisées in situ et résolues en temps pour suivre l’évolution de ces paramètres durant et après des pulses du plasma, que ce soit en DC glow ou en RF. Outre la validation de modèles cinétiques développés à l’IST Lisbonne, toutes ces données ont permis d’obtenir de nombreux résultats parmi lesquels l’identification de la meilleure section efficace de dissociation du CO2 par impact électronique, ou la quantification de la désexcitation vibrationelle du CO2 par les atomes d’oxygène.Un aspect important du travail a également porté sur l’influence des surfaces sur le plasma. Les processus de perte d'atomes de O dominés par la recombinaison en surface, se sont avérés dépendre de la température des atomes près de la surface. Il a aussi été montré qu’un plasma de CO2 peut passiver la surface de SiO2 diminuant la probabilité de recombinaison des atomes d’oxygène aux parois, et la rendant identique sous exposition au plasma et en post-décharge contrairement a ce qui est observé en plasma de O2. Une comparaison préliminaire avec un modèle de surface Monte-Carlo donne un bon éclairage sur les mécanismes de surface impliqués. En utilisant des fibres de SiO2 de grandes surfaces spécifiques, la formation de CO2 en surface a été mise en évidence ce qui limite l'efficacité de dissociation. Au contraire des surfaces à base de carbone ont permis une augmentation importante de la conversion du CO2 en piégeant les atomes d'oxygène. Ceci démontre le rôle essentiel que des surfaces catalytiques pourraient jouer dans l’efficacité de conversion du CO2 et l'importance de contrôler la réactivité des atomes d'oxygène.L’ensemble de ces résultats offre une vision beaucoup plus détaillée de la cinétique des plasmas de CO2. Il s’agit donc d’un travail utile non seulement pour développer de nouveaux procédés efficaces de conversion du CO2 avec ou sans catalyseurs, mais également dans des domaines tels que les traitements de surfaces utilisant des plasmas contenant du CO2 ou les problèmes d’entrée atmosphériques par exemple.