Titre Défi : Production de nanoperles de carbone à grande échelle (production industrielle)

Context

Contexte du défi :
Les nanoperles de carbone sont des nanoparticules constituées de chaines de sphères de carbone de taille nanométrique, de diamètre moyen de 150 nm. Différentes analyses SEM, HRTEM et XRD montrent en détail de la structure de ces sphères qui s'apparentent à une superposition de couches de graphites d’épaisseur 4nm de carbone amorphe. Les nanoperles se présentent sous une forme de mousse spongieuse très légère, constituée de chaines entrelacées comme un collier de perles.
Leur production se fait par CVD (Chemical Vapor Deposition) à haute température et pression atmosphérique à partir d’un précurseur hydrocarboné (acétylène par exemple), d’azote comme gaz porteur et assisté de catalyseur métallique (Nickel).
La forme sphérique de ces nanoperles de carbone découle de la forme, de l'arrangement des nanoclusters de nickel qui servent de motif de croissance. Cependant pour que ces nanoclusters jouent leur rôle, le nickel doit être actif lors de la décomposition de l'acétylène. Il s'agit d'un phénomène d'adsorption de l'acétylène à travers le nickel. Le nickel est ensuite expulsé en dehors de la sphère. Le processus se poursuit jusqu'à recouvrement complet des clusters de nickel. Pour une production en continue il faut donc soit renouveler le nickel ou évacuer les nanoparticules de carbone produite.
Pour rendre le catalyseur actif, deux méthodes ont été utilisées : le traitement du nickel par plasma induit d’argon pour enlever la couche d’oxydation, ou la production in situ afin de le protéger contre cette oxydation. Le premier prototype de réacteur fonctionnait avec ce processus.

Description of the challenge

Description de la problématique
Depuis deux ans, la compagnie NanoMed voulant développer et commercialiser à grande échelle les nanoperles de carbone après l’installation de son nouveau réacteur de production. Ce nouveau réacteur se base sur la recette appliquée lors de la première version de réacteur mais a dû subir des changements afin de l'adapter à une production en continu et à grande échelle. Ces nouveaux changements apportent malheureusement de nouveaux aspects comportementaux attraits aux conditions de croissance de nanoperles pures et homogènes, avec des difficultés à maintenir une croissance homogène de nanoperles de carbone.
L’objet de ce défi technologique est de partager cette expérience et d’essayer de trouver des solutions avec des spécialistes dans le domaine de la production de nanoparticules (noir de carbone, graphème, nanotubes de carbone)

Constraint(s)

Contraintes :
Ceci nécessite donc une étude autour d'un nouveau design, des paramètres physiques et thermodynamiques. Il faut souligner que différentes études scientifiques confirment les propriétés exceptionnelles des nanoperles de carbone et ce, dans différents domaines industrielles. Pour ce projet, il sera nécessaire de :
• Comprendre l'influence des paramètres du procédé sur la croissance des nanoperles
• Déterminer le rendement, la conversion du procédé par des bilans de masse et de chaleur
• Déterminer les paramètres de design du procédé pour la production de nanoperles
• Maitriser l’activation et maintien du catalyseur durant la croissance des nanoperles de carbone

Estimated duration of the project:<6 months