Étude de la formation et de l'activité catalytique de nanoparticules  durant les premiers instants de la croissance de nanotubes de carbone par dépôt chimique en phase vapeur assisté par aérosol

Study on the formation and catalytic activity of nanoparticles in early stages of carbon nanotubes growth under aerosol-assisted chemical vapor deposition

• Auteur / Autrice : Yang Ma
• Direction : Jinbo Bai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 30/06/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-2021)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Laurent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jinbo Bai, Laurent Zimmer, Anthony Dichiara
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Journet, Alix Gicquel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Incandescence induite par laser

Dépôt chimique en phase vapeur

Nanoparticules

Croissance

Nanotubes

Mots clés libres

Nanotube de carbone

Catalytique

Nanoparticules

Dépôt chimique en phase vapeur

In-situ diagnostic

D’incandescence induite par laser

Carbon nanotube

Catalytic

Nanoparticles

Chemical vapor deposition

In-situ diagnostic

Laser-induced incandescence

Résumé

De par leurs propriétés remarquables, les nanotubes de carbone (NTCs) reçoivent beaucoup d’attention et de nombreuses recherches sont menées sur ces matériaux depuis les dernières décennies. Le nombre d'applications envisagées mais aussi la quantité demandée de NTCs augmentent chaque année. Pour atteindre une production à grande échelle et contrôlée, il est nécessaire d'avoir une bonne compréhension des mécanismes de croissance des NTCs. Dans ce manuscrit, la formation ainsi que l'activité catalytique de nanoparticules (NPs) par dépôt chimique en phase vapeur assisté par aérosol (CVD) sont étudiées expérimentalement, pour analyser le processus d'évolution des NPs et leur relation avec les NTCs.Dans le chapitre 1, nous présentons une introduction générale sur des structures, les méthodes de synthèse, les propriétés et les applications envisagées des NTCs, ainsi que l’état de l’art concernant l’étude des mécanismes de croissance des NTCs.Dans le chapitre 2, nous décrivons le système de dépôt chimique en phase vapeur avec catalyseur flottant, ainsi que les méthodes de diagnostic in-situ/ex-situ utilisées dans cette étude. La technique d’incandescence induite par laser (LII) est particulièrement importante dans ce chapitre, car cette technique nous permet de réaliser un diagnostic in situ sur la quantité/taille des NPs déposées pendant le processus de synthèse.Dans le chapitre 3, nous présentons l'évolution des NPs lors de la synthèse ainsi que les influences des différents paramètres de CVD (température, quantité de carbone/catalyseur, composition du gaz, etc.) sur les gouttelettes et les NPs respectivement. Un modèle pour la formation de NPs est proposé à la fin de ce chapitre.Dans le chapitre 4, les résultats des expériences sur l'évolution de la composition du gaz sont révélés. Ces résultats donnent des informations concernant les réactions chimiques ayant lieu dans la phase gazeuse lors de la synthèse des NTCs.Dans le chapitre 5, une étude détaillée de l'influence des paramètres de CVD sur les produits NTCs est menée, et les relations entre les NPs et les NTC sont discutées.Pour finir, des conclusions générales ainsi que les perspectives prévues pour les travaux futurs sont présentées.

Due to the outstanding properties in various aspects, carbon nanotubes (CNTs) received worldwide attentions and intensive investigations are carried out in the last decades. While the number of applications as well as the quantity demanded of CNTs are increasing year after year, to achieve large scale production of the desired structures in a controlled way, it is highly required having a clear understanding about the CNTs growth mechanism. In this study, the formation and catalytic activity of nanoparticles (NPs) under aerosol-assisted chemical vapor deposition (CVD) is experimentally investigated, aiming to study the NPs evolution process and their relation with the CNTs products.In chapter 1, we provide a general review of CNTs structures, synthesis methods, properties as well as applications. Moreover, the current situation of CNTs growth mechanism study is presented.In chapter 2, the floating catalyst chemical vapor deposition synthesis system, and the in-situ/ex-situ diagnostic methods used in this study are introduced. Laser induced incandescence technique (LII) is particularly explained in this chapter, which permits to achieve an in-situ diagnostic of the NPs quantity/size during the synthesis process.In chapter 3, the evolution of NPs during the synthesis is presented, in which the influences of different CVD parameters (temperature, carbon/catalyst quantity, gas composition etc.) on the droplets as well as on the NPs are investigated respectively. A NPs formation model is proposed based on the NPs variation information at the end of this chapter.In chapter 4, the experimental results of the gas composition evolution in chemical vapor deposition reactor are revealed, which reflect the gas phase chemical reactions information during the CNTs synthesis.In chapter 5, a detailed investigation about the influence of CVD parameters on the CNTs products is explained. And the relation between the NPs and CNTs is discussed.In the end, general conclusions are formed according to works and perspectives are provided for the improvement of the future work.