L'Agence nationale de la recherche Des projets pour la science

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(DS0201) 2016
Projet SYCAMORE

réactivité de surface des plasmas moléculaire pour la valorisation de CO2

La valorisation du CO2 est une priorité environnementale, économique et sociétale majeure. Les progrès des technologies de capture du carbone permettent désormais d’envisager le CO2 comme une matière première plutôt qu’un déchet. De nombreuses techniques sont étudiées pour obtenir une conversion efficace du CO2 et beaucoup d'efforts sont réalisés en particulier pour le développement de nouveaux catalyseurs. Cependant la dissociation du CO2, processus fortement endothermique, reste un obstacle. Comme pour n’importe quelle autre réaction chimique, exciter le CO2 vibrationellement pourrait augmenter sa réactivité.
Les plasmas froids (PF) sont susceptibles d’exciter vibrationellement des molécules avec une grande efficacité. Dans des gammes de pression favorables au transfert d'énergie entre niveaux vibrationels (10-300 mbar), jusqu'à 90% de l'énergie injectée dans le PF peut être transférée sous forme d’excitation. Par conséquent, l’association de plasmas ayant une forte température vibrationelle avec des surfaces catalytiques semble une approche idéale pour la conversion de molécule en général, et la dissociation du CO2 en particulier.
Le couplage Plasma/catalyse est habituellement étudié à pression atmosphérique avec des plasmas filamentaires non homogènes et favorisant le chauffage du gaz plus que l’excitation vibrationelle. L’association de plasmas froids à pression réduite (PF-PR) avec des matériaux catalytiques est une approche originale qui permettra en outre de faire avancer la compréhension de l'interaction plasma/surface à plusieurs égards. D'abord, la cinétique vibrationelle des plasmas froids moléculaires, en particulier des plasmas de CO2 incluant ses trois modes de vibration, nécessite encore de gros efforts conjoints expérimentaux et en modélisation. Deuxièmement, le rôle possible des molécules vibrationnellement excitées dans les mécanismes de surface (adsorption, réactivité, désorption) est encore largement méconnu. Enfin, l’augmentation de réactivité chimique d’une distribution de molécules vibrationellement excitées est très mal connue. SYCAMORE vise à répondre à ces questions en utilisant d’une part des sources plasma bien contrôlées, et un ensemble de diagnostics in situ et résolus en temps, à la fois en phase gazeuse et en surfaces pour parvenir à une compréhension complète de l’interaction plasma/surface à pression réduite.
En physique des plasmas, l’excitation vibrationnelle des molécules est souvent considérée comme un terme de perte d’énergie. La vision sous jacente à ce projet est au contraire que les PF développent des électrons ayant une énergie moyenne idéale pour développer un large réservoir d'énergie accumulé dans les molécules excitées vibrationnellement qui peuvent être utilisées pour réaliser des réactions chimiques efficaces.
Si les PF avec une forte température vibrationelle sont rarement utilisés pour des réactions chimiques, c’est en raison de la complexité des cinétiques vibrationelles. SYCAMORE vise à établir le bénéfice de l’excitation vibrationelle pour certaines réactions chimiques lorsque les surfaces sont exposées au plasma. La première source plasma sera donc en priorité conçue pour faciliter les diagnostics (champ électrique, du gaz et des températures vibratoires, les radicaux et les densités de molécules) et permettre une bonne modélisation d’un plasma de CO2 pur. Lorsqu’une description précise de ce plasma de CO2 sera obtenue, l'influence de surfaces modèles telles que SiO2, CaO ou MgO pourra aisément être mise en évidence. Les mêmes matériaux seront alors utilisés dans des sources plasma plus efficaces. Les résultats obtenus seront utiles pour la conversion de CO2 bien sur, en CO2 pur mais aussi avec CH4 et H2 par exemple, ou encore pour la production de O2 pour les missions d’exploration de Mars. Les méthodes développées dans SYCAMORE pourront par la suite facilement être appliquée à d’autres synthèses moléculaires par plasma telles que NO ou NH3.

Partenaires

LPP Laboratoire de Physique des Plasmas

Aide de l'ANR 270 458 euros
Début et durée du projet scientifique novembre 2016 - 48 mois

 

Programme ANR : (DS0201) 2016

Référence projet : ANR-16-CE06-0005

Coordinateur du projet :
Monsieur olivier guaitella (Laboratoire de Physique des Plasmas)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.