Les motivations derrière l'étude des plasmas de CO₂ ont évolué depuis l'exploration fondamentale de la physique des plasmas dans les années 1950 et 1960, vers des applications de plus en plus orientées vers les enjeux environnementaux et industriels. Dans les années 1970, l'étude des plasmas de CO₂ s'est intensifiée, motivée notamment par le développement des lasers à CO₂. A. Fridman et P. Capezzuto figurent parmi les premiers à démontrer que les plasmas hors équilibre constituent un moyen efficace d'induire des réactions chimiques dans un gaz permettant ainsi de dissocier la molécule de CO₂. Depuis les années 1990, les préoccupations environnementales liées au changement climatique et à l'augmentation des émissions de CO₂ ont motivé un nouveau champ de recherche : la capture et la conversion du CO₂ en produits à haute valeur ajoutée. Un exemple pertinent est le stockage d'énergie par la production de CO-H₂ sous forme gazeuse, connu sous le nom de « syngas », à partir de CO₂ capté dans l'atmosphere et de CH₄. Ce nouveau produit agit comme vecteur énergétique, stockant de l'énergie chimique qui peut ensuite être convertie en d'autres formes telles que des carburants liquides, ou même de l'électricité. Les décharges plasmas hors équilibre constituent également une solution interessante pour produire de l'oxygène à partir de CO₂, ce qui les rend particulièrement intéressantes pour les missions spatiales. Cette approche est d'autant plus pertinente dans le cas des projets d’exploration martienne, du fait de son atmosphère composée à 95 % de CO₂. Parmi les différentes décharges électriques utilisées pour la conversion du CO₂, les décharges barrières diélectriques (DBD) fonctionnent à pression atmosphérique, ce qui les rend faciles à mettre en oeuvre, adaptables et facilement combinables avec des matériaux catalytiques pour améliorer la dissociation du CO₂. Les DBD fonctionnent généralement en mode multi-filamentaire. Cependant, et pour la première fois, nous avons réussi à générer une décharge à pression atmosphérique dans le CO₂ présentant les caractéristiques électriques et optiques d'une décharge diffuse. Grâce une caractérisation minutieuse, nous avons démontré que ce régime correspond au régime de décharge de Townsend à pression atmosphérique (DTPA), déjà observé pour d'autres compositions gazeuses telles que l'azote ou l'air. L'une des particularités de la DTPA est la possibilité de déterminer facilement le champ électrique à partir de mesures électriques. Combiné à sa structure homogène dans l'espace, cela fait de la DTPA un cas test interessant pour fournir des données essentielles aux modèles cinétiques à pression atmosphérique. Au cours de ces travaux, ce régime a donc été étudié en comparaison au mode filamentaire classique. Dans cet objectif, la lumière émise par la décharge a été analysée par spectroscopie d'émission optique pour différents débits de gaz. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier a également été utilisée in situ dans les mêmes conditions expérimentales afin de déterminer le taux de conversion du CO₂ ainsi que les températures rotationnelle et vibrationnelle des molécules de CO et de CO₂. Ces résultats constituent les premiers éléments d'un ensemble de données obtenu dans des conditions bien définies, permettant d'approfondir notre compréhension des processus physico-chimiques se produisant dans les plasmas hors équilibre de CO₂ à pression atmosphérique. |
The motivations behind the study of CO₂ plasmas have evolved from the fundamental exploration of plasma physics in the 1950s and 1960s to applications increasingly oriented towards environmental and industrial issues. In the 70’s, the study of CO₂ plasmas intensified, notably through the use of CO₂ lasers. A. Fridman and P. Capezzuto were among the first to demonstrate that out-of-equilibrium plasmas are a good way of inducing chemistry in a gas and thus dissociating the CO₂ molecule. Since the 90’s, environmental concerns about climate change and rising CO₂ emissions have motivated a new field of research, CO₂ capture and conversion into value-added products. A good example is energy storage by producing CO-H2, called “syngas”, from captured CO₂ and CH4. Syngas serves as an energy carrier, storing chemical energy that can later be converted into other forms such as liquid fuels, or even electricity. Also, non-equilibrium plasma discharges offer an efficient method for generating oxygen from CO₂, making them particularly suitable for space missions. This approach is especially advantageous on Mars, where the atmosphere consists of 95% CO₂. Among the different discharges used for CO₂ conversion, Dielectric Barrier Discharges (DBDs) operate at atmospheric pressure, making them easy to implement, highly adaptable, and easily combined with catalytic materials to improve CO₂ dissociation. DBDs typically operate in a multi-filamentary regime. However, for the first time, we have successfully generated a discharge at atmospheric pressure in CO₂ exhibiting the electrical and optical characteristics of a diffuse discharge. After a careful characterization, we demonstrated that this regime corresponds to the Atmospheric Pressure Townsend Discharge regime (APTD), already reported for other gas compositions such as nitrogen or air. One of the peculiarities of APTD is the possibility to determine the reduced electric field from electrical measurements easily. Combined with its spatially homogeneous structure, it makes APTD a good test case for constraint kinetic models at atmospheric pressure. This regime was thus studied in the present work and systematically compared to the more classical filamentary mode. For that purpose, the light emitted by the discharge was analysed by optical emission spectroscopy for various gas flows. In-situ Fourier Transform infrared spectroscopy was also performed for the same experimental conditions to determine the conversion rate of CO₂ as well as the rotational and vibrational temperatures of CO and CO₂ molecules. These results are the first elements of a data set obtained in well-defined conditions, allowing us to enhance our understanding of the physico-chemical processes occurring in non-equilibrium CO₂ plasmas at atmospheric pressure. |