Synthèse de nanotubes de carbone multi-parois par dépôt chimique en phase vapeur catalytique en lit fluidisé : nouvelle classe de catalyseurs, étude cinétique et modélisation

par Régis Philippe

Thèse de doctorat en Chimie organométallique et de coordination

Sous la direction de Philippe Serp et de Brigitte Caussat.

Soutenue en 2006

à Toulouse, INPT .


  • Résumé

    Produire à grande échelle des nanotubes de carbone en maîtrisant les principaux paramètres de croissance et la morphologie de ces matériaux est un enjeu important en vue de l’exploitation industrielle de ces matériaux nanostructurés dans de nombreux domaines tels que l’élaboration de composites ou le stockage d’énergie. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail basé sur la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) mis en œuvre dans un procédé faisant appel à un lit fluidisé de particules catalytiques (FB-CCVD). Dans un premier temps, nous avons mis au point, testé et caractérisé plusieurs catalyseurs en faisant varier leur méthode de préparation, la phase active et le support. Ceci nous a permis de dégager et de sélectionner un catalyseur optimal en tenant compte des performances catalytiques rencontrées et des contraintes imposées par l’emploi d’un lit fluidisé. Le catalyseur retenu, est constitué de fer supporté sur un support d’alumine et est préparé également par dépôt chimique en phase vapeur en lit fluidisé, à partir de ferrocène, sous pression réduite et en présence d’air. Il conduit à l’obtention massive de nanotubes de carbone multiparois, alignés sur le support, constituant une gangue enrobant la surface des grains catalytiques. Par la suite, dans le cadre d’une étude cinétique, nous avons étudié l’influence des paramètres principaux de la réaction catalytique de formation des nanotubes de carbone à partir d’éthylène sur les caractéristiques physiques du lit fluidisé, l’efficacité du procédé et la qualité des nanotubes produits. Les informations cinétiques et morphologiques collectées, associées à un modèle de bullage de type Kato et Wen, ont ensuite permis l’élaboration d’un modèle global du réacteur de synthèse de nanotubes de carbone en lit fluidisé à partir de notre catalyseur. Ce modèle permet de prédire les performances du procédé en fonction des conditions expérimentales appliquées mais aussi l’évolution des caractéristiques physiques de la poudre composite obtenue. Enfin, dans une dernière partie, nous tentons de proposer une première explication du fonctionnement spécifique de notre catalyseur et de son évolution au cours de la synthèse des nanotubes de carbone alignés sur poudre.

  • Titre traduit

    Fluidized bed catalytic chemical vapor deposition of multiwalled carbon nanotubes : new class of catalysts, kinetic study and modeling


  • Résumé

    Large scale production of carbon nanotubes with control of the main growth parameters and morphology is a challenging aim for future industrial exploitation of these nanostructured materials in numerous fields like composite production and energy storage. This work based on the fluidized bed catalytic chemical vapour deposition technique (FB-CCVD) lies in this industrial framework. At first, several catalysts are produced by varying preparation method, active phase and support. They are tested and characterised in order to select an optimal catalyst taking into account encountered catalytic performances and fluidized bed constraints. The chosen catalyst is made of an iron film that coats an alumina support and is also produced by fluidized bed chemical vapour deposition on alumina, under low pressure, from ferrocene and air. This catalyst leads to the mass production of aligned multi-walled carbon nanotubes that coat all the catalytic grains. Then, within a kinetic study, the influence of the main parameters of carbon nanotubes growth has been studied on the fluidized bed physical characteristics, the process efficiency and the quality of the produced materials. These results, on the basis of a Kato and Wen bubbling model, allow us to develop a global reactor model for the carbon nanotube formation using our catalyst. This model predicts the process performances and the morphological and physical characteristics of the composite powder present in the fluidized bed. At last, we try to explain the peculiar working of our catalyst and describe the system evolution during the aligned multi-walled carbon nanotubes growth on the fluidized catalytic grains.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (272 p.)
  • Annexes : Bibliogr. à la fin de chaque chapitre

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  • Bibliothèque : Ecole nationale supérieure d'ingénieurs en arts chimiques et technologiques. Service de documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TG 2006 PHI
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