Experimental investigation of atmospheric pressure diffuse and filamentary Dielectrics Barriers Discharges in CO2

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.