Le noir de carbone est un matériau constitué à près de 99 % de carbone et se présente sous la forme de petites sphères de 100 nm environ entre elles pour former d’abord des agrégats de quelques centaines de nm et ensuite d’agglomérats de l’ordre de 50 µm. La production mondiale actuelle est estimée à plus de 18 millions de tonnes par an pour un marché de plus de 20 milliards d’euros !

Cette production est consacrée pour 65% à l’industrie des pneumatiques en tant qu’agent de résistance à l’usure, pour 31 % comme additif pour d’autres caoutchoucs et plastiques, le reste pour des spécialités comme les encres (toners) et des revêtements de peinture.

Pour exemple, un pneu de 7 kg contient entre 3 et 3,5 kg de noir de carbone.

Le noir de carbone est connu depuis plus de 1500 ans ! En effet les Chinois le fabriquaient en chauffant des huiles végétales dans une enceinte fermée avec une entrée d’air minimum qu’ils contrôlaient. Le noir de carbone était obtenu à partir des gaz formés et se déposait sur les parois de la chambre réactionnelle.

Après la découverte du pétrole aux USA, un nouveau procédé (procédé Furnace) utilise la combustion incomplète des huiles lourdes issues de la distillation du pétrole par pyrolyse (chauffage en atmosphère pauvre en oxygène) vers 1500 °C. La durée de cette réaction rapide dure moins de 1/10^e de seconde ! Hélas le noir de carbone est obtenu avec un faible rendement (entre 30 et 50 % selon le type de noir de carbone).

Ce procédé est extrêmement polluant car il est accompagné de dégagements de SO₂ et de NO₂ à laquelle s’ajoute l’émission de l’ordre de 2,5 tonnes de CO₂ par tonne de noir de carbone !

Une voie consiste en la pyrolyse du gaz naturel à haute température pour former à la fois de l’hydrogène et du carbone solide selon l’équation-bilan suivante : CH₄ = C + 2 H₂. Il s’agit d’un procédé discontinu (en batch) nommé procédé thermal black. Il permet de produire des noirs de carbone spéciaux essentiellement constitués de grosses particules et utilisés comme pigments.

Un nouveau procédé de pyrolyse du gaz naturel continu (cette fois) est en phase de développement et utilise un four à plasma, alimenté par du courant électrique avec une consommation comprise entre 3,3 et 10 kWh par kg de noir de carbone formé. Sous l’effet du passage du courant le gaz (généralement de l’hydrogène recyclé issu du produit lui-même) est chauffé à haute température (supérieure à 3000 °C) et s’accompagne d’une ionisation en libérant des électrons créant ainsi un très bon conducteur électrique gazeux. Le gaz naturel est injecté dans l’écoulement plasma pour obtenir une température comprise entre 1500 et 1800°C en fonction de la qualité de noir de carbone recherchée. Les électrodes utilisées sont constituées par du graphite (variété conductrice du carbone !). On les remplace au fur et à mesure de leur usure simplement par un dispositif mécanique automatique. Ce procédé a été étudié pendant de nombreuses années à l’Ecole des Mines de Paris (centre Persée -Sophia Antipolis). Depuis 2012 ce procédé a été développé industriellement par la société californienne « Monolith Materials » en collaboration avec l’École des Mines de Paris. Ce procédé est devenu rentable et est appelé à remplacer le procédé de pyrolyse thermique du gaz naturel car il produit en même temps de l’hydrogène décarboné dont le coût de production est inférieur de 50 % à celui obtenu par électrolyse de l’eau. Mais si une 1 tonne de méthane permet de produire 250 kg d’hydrogène il fournit aussi 750 kg de carbone… Se posera alors la question de trouver de nouvelles applications pour ce carbone solide obtenu à de très grandes échelles : plusieurs pistes sont à l’étude !

L'auteur, Jean-Pierre Foulon, à remercier vivement Monsieur Laurent Fulchéri, Directeur de Recherche Université PSL, Mines ParisTech Persée, qui l’a beaucoup aidé pour rédiger cette note pédagogique.

Pour en savoir plus
La pyrolyse du méthane : de l’hydrogène « gris » à l’hydrogène « turquoise », L. Fulcheri, L’Actualité Chimique (octobre 2021) N° 466 pp. 28-34
Noir de carbone sur le site Elementarium