Etude théorique des collisions d'électrons avec les molécules de NO2 et N2O pour le contrôle et la réduction de la pollution atmosphérique

Theoretical study of electron collisions with NO2 and N2O molecules for control and reduction of atmospheric pollution

• Auteur / Autrice : Hainan Liu
• Direction : Pietro Cortona
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de structures, propriétés et modélisation des solides (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Laux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexander Alijah, Zsolt Mezei, Mehdi Adrien Ayouz, Nicolas Douguet, Viatcheslav Kokoouline
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexander Alijah, Zsolt Mezei

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices R

Pollution atmosphérique -- Lutte contre

Interactions électron-molécule

Mots clés libres

Méthode R-matrix

Diffusion d’électrons-NOx

Transformation du cadre vibratoire

Excitation vibrationnelle

Attachement dissociatif d’électrons

R-matrix method

Electron-NOx scattering

Vibrational frame transformation

Vibrational excitation

Dissociative electron attachment

Résumé

Cette thèse présente des recherches théoriques sur la diffusion électronique avec deux molécules polyatomiques d’intérêt pour la pollution atmosphérique, les molécules NO2 et N2O. En ce qui concerne la molécule NO2, nous étudions l’excitation vibrationnelle entre les niveaux les plus bas des états électroniques fondamentaux de cette molécule. Le calcul est effectué par une approche qui combine l’approximation des modes normaux pour les états vibrationnels du NO2, le code de la UK R-matrice pour obtenir la électron-molécule S-matrice pour les géométries fixes de la cible et la « vibrational frame transformation » pour évaluer le matrices de diffusion pour les transitions vibrationnelles. En ce qui nous concerne, la sections efficaces d’excitation vibrationnelle calculée dans cette thèse est rapportée pour la première fois pour la molécule NO2. L’estimation de l’incertitude des résultats est ainsi réalisée pour valider la présente approche théorique. De même, les sections efficaces d’excitation vibrationnelle de la molécule de N2O sont déterminées. Les résultats obtenus sont en accord raisonnable avec les données expérimentales. Les rate coefficient d’excitation vibrationnelle sont obtenus à partir des sections efficaces pour la plage de températures de 10K à 10000 K. La structure rotationnelle des molécules neutres cibles est négligée dans la présente approche, ce qui implique que les sections efficaces et les rate coefficient obtenus doivent être considérés comme une moyenne sur états de rotation initiaux et additionnés sur les états de rotation finaux des niveaux vibrationnels initial et final correspondants. Enfin, l’attachement dissociatif aux électrons (DEA) du NO2 est également étudié dans cette thèse. Ce processus est en concurrence avec l’excitation vibrationnelle dans la plage d’énergie de diffusion en dessous du premier état électronique excité de la cible. La DEA sections efficaces est calculée par la méthode basée sur la théorie de Bardsley-O’Malley développée pour les molécules diatomiques et généralisée aux molécules polyatomiques complexes par Chi Hong Yuen et al. par la suite par rapport aux mesures expérimentales disponibles. Les résultats obtenus pourraient être utilisés dans la modélisation du plasma pour le contrôle et la réduction de la pollution atmosphérique.

This thesis presents theoretical investigations on electron scattering with two polyatomic molecules of atmospheric pollution interest, the NO2 and N2O molecules. Regarding the NO2 molecule, we study the vibrational excitation between the lowest levels within the ground electronic states of this molecule. The calculation is carried out by an approach that combines the normal modes approximation for the vibrational states of the NO2, the UK R-matrix code to obtain electron–molecule S-matrix for fixed geometries of the target and the vibrational frame transformation to evaluate the scattering matrices for vibrational transitions. To our knowledge, the vibrational excitation cross section calculated in this thesis is reported for the first time for NO2 molecule. The uncertainty estimation of the results is thus performed to validate the present theoretical approach. Similarly, the vibrational excitation cross sections of N2O molecule are determined. The obtained results are in reasonable agreement with experimental data. The rate coefficient of vibrational excitation are obtained from the cross-sections for temperatures in the 10–10000 K range. The rotational structure of the target neutral molecules is neglected in the present approach, which implies that the obtained cross-sections and rate coefficients should be viewed as averaged over initial rotational states and summed over final rotational states of the corresponding initial and final vibrational levels. Finally, the dissociative electron attachment (DEA) of NO2 are also studied in this thesis. This process competes with vibrational excitation at the scattering energy range below the first electronic excited state of the target. The DEA cross section is calculated by the method based on the Bardsley-O’Malley theory developed for diatomic molecules and generalized to complex polyatomic molecules by Chi Hong Yuen et al. afterwards compared with available experimental measurements. The obtained results could be used in plasma modeling for control and reduction of atmospheric pollution.