Depuis leur découverte en 1991 par Ijima, les nanotubes de carbone (NTCs) ont suscité un énorme engouement auprès de la communauté des chercheurs intéressés par la chimie du carbone en raison de leurs excellentes propriétés physiques et chimiques. Malgré les énormes progrès réalisés dans la recherche, il n’est pas encore possible de produire en grande quantité des NTCs de propriétés bien définies. La principale cause de ce problème est le manque de compréhension du mécanisme de croissance des NTCs. Parmi les différents procédés de synthèse, l’arc électrique présente l’avantage d’être non seulement plus facile à mettre en œuvre mais de permettre également d’agir sur de nombreux paramètres contrôlant la synthèse. Celle-ci dépend notamment de la température du plasma, où se forment les précurseurs pour la croissance des tubes. Par ailleurs, le rayonnement issu de l’arc influe sur la température de la zone de croissance des NTCs. La connaissance de cette température est donc particulièrement importante pour interpréter les phénomènes de dissociation, d'excitation et d'ionisation qui se déroulent dans le plasma. De plus, la composition du plasma est une donnée fondamentale pour l’étude de ses propriétés radiatives.
Les travaux de cette thèse portent donc sur la synthèse, dans les conditions optimales définies par des travaux antérieurs, des nanotubes de carbone purs et hétérogènes par la méthode de l’arc électrique et de l’amélioration du processus du diagnostic optique et électrique du plasma.
Le premier chapitre expose l’état de l’art qui comprend les généralités sur les nanotubes de carbone purs et hétérogènes, les techniques de synthèse, leurs propriétés et applications.
Le deuxième chapitre présente le dispositif expérimental en détaillant le protocole d’expérimentation suivi. La synthèse est ainsi réalisée par arc électrique dans un réacteur cylindrique de 25 litres rempli d’Hélium ou de mélange Hélium/Azote à 60 kPa. Le courant est compris entre 40 et 80A, l'arc est établi entre une anode hétérogène (remplie de graphite, de catalyseurs Ni et Y et le cas échéant, de bore) et une cathode en graphite pur.
Le troisième chapitre est consacré à la méthode d’analyse optique utilisée. Le diagnostic du plasma est réalisé par spectroscopie optique d’absorption pour déterminer l’épaisseur optique du plasma et par spectroscopie optique d'émission avec laquelle la température d’excitation est obtenue en appliquant la méthode de Boltzmann aux raies du nickel, tandis que la température et la densité des molécules C2 sont obtenues à partir de la bande de Swan C2 (0-0).
Enfin le dernier chapitre est dédié aux résultats de l’étude des propriétés du plasma associée à différentes conditions de synthèse, afin d’établir la corrélation entre les caractéristiques du plasma et les propriétés des NTC synthétisés. Des valeurs locales de température sont obtenues en appliquant l’inversion d’Abel sur les profils d’émissivités des raies mesurées. Des mesures de température dans la zone de croissance sont également réalisées par des thermocouples. Dans le cadre d’une collaboration interne entre les membres de l’équipe, des spectres de la bande de Swan simulés par mon collègue Ali HLELI ont été comparés à mes spectres expérimentaux. |
Since their discovery in 1991 by Ijima, carbon nanotubes (CNTs) have generated enormous interest among the research community interested in carbon chemistry attributed to their excellent physical and chemical properties. Among the various synthesis methods, the electric arc has the advantage of being not only easier to implement but it also allows to play on many parameters to control the synthesis. Despite the important progress made in research, it is not yet possible to produce large quantities of CNTs with well-defined properties. It is due to the lack of understanding of CNTs growth mechanism. This depends especially on the temperature of the plasma, where the precursors for the growth of the tubes are formed. Moreover, the radiation from the arc affects the temperature of the CNTs growth zone. The knowledge of this temperature is therefore particularly important for interpreting the phenomena of dissociation, excitation and ionization that take place in the plasma. In addition, determining plasma composition is fundamental for the study of its radiative properties.
This thesis focuses on the synthesis, in the optimal conditions defined by previous works, of pure and heterogeneous carbon nanotubes by the electric arc method and the improvement of the process of optical and electrical diagnosis of the plasma.
The first chapter exposes the state of the art which includes generalities on pure and heterogeneous carbon nanotubes, synthesis techniques, their properties and applications.
The second chapter presents the experimental setup by detailing the followed experimentation protocol. The synthesis is thus carried out by electric arc in a cylindrical reactor of 25 liters filled with Helium or a mixture of Helium / Nitrogen at 60 kPa. The applied current is between 40 and 80A, the arc is established between a heterogeneous anode (filled with graphite, catalysts Ni and Y and, if appropriate, boron) and a pure graphite cathode.
The third chapter is devoted to the optical analysis method. The plasma diagnosis is based on the optical absorption spectroscopy to determine the plasma optical thickness and on optical emission spectroscopy with which the excitation temperature is obtained by applying the Boltzmann method to the nickel lines, while the Temperature and density of the C2 molecules are obtained from the C2 Swan band (0-0).
Finally, the last chapter is devoted to the results of the plasma properties associated with different synthesis conditions, in order to establish the correlation between the characteristics of the plasma and the properties of the synthesized CNTs. Local temperature values are obtained by applying the Abel inversion to the emissivity profiles of the measured lines. Temperature measurements in the growth zone are also performed by thermocouples. As a part of an internal collaboration between team members, simulated spectra of the Swan band by my colleague Ali HLELI were compared to our experimental results. |