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Démarrage du projet SYCAMORE, ou comment recycler de façon propre et utile le CO2

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Dispositif de mesure par diffusion Raman de la température du gaz dans une décharge de CO2 : détail.
Crédit : O. Guaitella, LPP

Le recyclage du CO2 est une priorité majeure pour l’environnement, l’économie et la société. Les technologies de capture du carbone se sont considérablement améliorées et, au lieu d’être un gaspillage, le CO2 pourrait devenir une matière première pour une production chimique "verte" ou une production de carburant. Beaucoup de techniques sont étudiées pour réaliser une conversion efficace du CO2 et beaucoup d’efforts sont spécialement faits dans le développement de nouveaux catalyseurs. Cependant, la difficulté de dissocier le CO2, qui est un processus fortement endothermique, demeure. Comme toute autre réaction chimique moléculaire, la réactivité du CO2 en phase gazeuse et sur les surfaces pourrait être fortement améliorée si la molécule de CO2 etait excitée par vibration.
Les plasmas à basse température peuvent exciter des molécules très efficacement avec des niveaux vibrationnels élevés. Pour des pressions favorables au transfert d’énergie entre des niveaux vibratoires, typiquement entre 10 et 300 mbar, jusqu’à 90% de l’énergie injectée dans le plasma à basse température peut être stockée dans l’excitation vibratoire des molécules. Par conséquent, un couplage efficace de plasmas moléculaires à forte excitation vibrationnelle avec une surface de catalyseur est une approche prometteuse pour la conversion de CO2 ou tout autre procédé de conversion de molécule.
Le couplage plasma / catalyse est habituellement étudié à la pression atmosphérique avec des plasmas filamentaires non homogènes et une vitesse de collision élevée convertissant l’énergie vibrationnelle en chauffage du gaz. Au contraire, le couplage de plasma à basse température à moyenne pression avec des matériaux catalytiques est une approche originale qui peut faire avancer la compréhension de la cinétique du plasma et de l’interaction plasma / surface à plusieurs égards. Tout d’abord, la cinétique vibrationnelle des plasmas moléculaires, en particulier avec le CO2 et ses trois modes vibratoires, nécessite encore des travaux expérimentaux et de modélisation pour une description précise. Deuxièmement, le rôle possible des molécules vibrationnellement excitées sur les mécanismes de surface (adsorption, réactivité, désorption) est encore largement inconnu. Troisièmement, la réactivité accrue d’une population de molécules ayant une distribution vibratoire donnée doit être clarifiée.
SYCAMORE a pour but de répondre à ces questions en utilisant une combinaison de sources plasma bien contrôlées et un ensemble de diagnostiques in situ résolus en temps, à la fois en phase gazeuse et sur les surfaces pour parvenir à une bonne compréhension de l’interaction surface plasma à moyenne pression. L’excitation vibratoire des molécules est souvent perçue en physique des plasmas comme une perte d’énergie pour le maintien du plasma. La vision derrière ce projet est au contraire que l’énergie moyenne des électrons dans les plasmas à basse température est suffisante pour permettre de constituer un grand réservoir d’énergie dans les molécules vibrationnellement excitées qui devrait être employée pour produire des réactions chimiques efficaces.
La faible utilisation des plasmas fortement excités par vibration pour effectuer des réactions chimiques provient certainement de la complexité de la cinétique vibratoire dans les plasmas. SYCAMORE vise à savoir si les réactions survenant sur une surface exposée au plasma peuvent bénéficier ou non de la présence molécules excitées par vibration. Par conséquent, la première source de plasma ne sera pas conçue pour optimiser l’excitation vibratoire, mais pour rendre plus facile le diagnostic (champ électrique, gaz et températures vibratoires, radicaux et densités moléculaires) et la modélisation, afin de construire un modèle cinétique précis de plasmas de pur CO2. Lorsqu’une description précise de cette source sera obtenue, l’influence de surfaces modèles telles que le SiO2 poreux, le CaO ou le MgO sera évidente et quantifiable à la fois en phase gazeuse et en diagnostic de surface in situ, avant de traiter ces matériaux en combinaison avec des sources de plasma plus efficaces. On s’attend à ce que les résultats soient généralement utiles à toute conversion de CO2 par le plasma dans le CO2 pur, ou avec du CH4 et H2 par exemple. Les méthodes développées dans SYCAMORE devraient également fournir un moyen efficace d’étudier d’autres molécules de synthèse par plasma, telles que NO ou NH3 par exemple.


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