Rev. Phys. Appl. (Paris) 12, 1237-1242 (1977)
DOI: 10.1051/rphysap:019770012090123700

An experimental investigation on the boron trichloride hydrogen plasma reactions at medium and high pressure

M. Diana^{1, 2, 3}, C. Luponio^{1, 2, 3} et G. Russo<sup>1, 2, 3

1</sup>  Laboratorio Ricerche Combustione del C. N. R., Napoli
²  Istituto di Fisica. Facoltà di Ingegneria. Università di Napoli
³  Istituto di Chimica Industriale e Impianti Chimici. Università di Napoli, Italy

Abstract
Results of experimental investigations on the endothermic reduction of BCl3 in a hydrogen thermal plasma and in a non-equilibrium hydrogen plasma discharge at medium pressure are presented. In the first experiment the apparatus was operated with a hydrogen-argon mixture ((H2)/(Ar) = 3) with a flow-rate of 40 to 901 (STP)/min. and a power input in the range 8 to 15 kW. The (H2)/(BCl3) molar ratio investigated was in the range 3 to 20. In the second experiment the reduction process was carried out at lower power input and flow-rate in the glow of a high voltage discharge glass tube. In the arc-plasma experiments conversion degrees of BCl3 to solid boron up to 70 % were obtained in agreement with thermodynamic predictions. The boron was collected as an extremely fine powder (0.05 to 0.15 μm diameter). In the glow discharge experiments, heterogeneous boron nucleation and growth was observed on both the discharge tube walls and cathode surfaces. From the visible and near U. V. spectroscopic investigations, there was always evidence for the presence of H, B, H2, BH, BCl and polyatomic species in the glow experiments, the last two being absent in the plasma process. R-branch lines of the 1II → 1Σ BH transition were used to obtain measurements of rotational temperatures in the high pressure reduction flame.

Résumé
On expose les résultats d'une étude expérimentale des réactions de reduction du BCl3 avec hydrogène dans le plasma thermique d'un arc et dans le plasma hors d'équilibre d'une décharge glow. Dans la première étude le générateur de plasma agit avec un mélange hydrogène-argon ((H2)/(Ar) = 3), un débit de 40-901 (STP)/min. et une puissance de 8-15 kW. Les observations ont été effectuées dans l'intervalle 3-20 du rapport moléculaire (H 2)/(BCl3). Dans la seconde expérience le procédé de réduction se produit à basse pression dans un tube à décharge à haute tension ; la puissance est alors de l'ordre de 100 W et le débit de 21/s. La réaction au plasma thermique a donné des conversions du BCl3 en bore solide jusqu'à 70 % en bon accord avec les prévisions thermodynamiques. Le produit se présente en forme d'une poudre d'une finesse très grande. Au contraire le bore obtenu avec un plasma hors d'équilibre est apparu sur les parois du tube de décharge aussi bien que sur les surfaces du cathode. L'étude spectroscopique dans le domaine visible et l'U. V. a toujours mis en évidence dans la décharge glow les émissions de H, B, H2, BH, BCl et des espèces polyatomiques, les deux derniers étant absents dans la réaction due au plasma thermique. Les lignes de la branche R de la transition 1II → 1Σ du BH nous ont permis de mesurer la température rotationnelle de la flamme de réduction du procédé thermique.

PACS
5275 - Plasma devices and applications.
5280H - Glow and corona discharges.
8230L - Decomposition reactions pyrolysis, dissociation, and group ejection.

Key words
boron compounds -- glow discharges -- hydrogen -- reduction chemical -- high pressure -- endothermic reduction -- BCl sub 3 -- glow discharge -- arc plasma -- H sub 2 plasma discharge -- medium pressure -- chemical reactions -- H sub 2 thermal plasma