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等離子體被稱為“物質的第四種狀態”,作為一種特殊的氣體狀態物質,通常是在高溫或者強電磁場作用下才能產生。等離子體的組成包括離子、電子以及未電離的中性粒子,其整體呈現電中性。等離子體的存在形式十分特殊,因為化學活性極高、能夠和電磁場相互作用,這種得天獨厚的優勢使得其被廣泛應用于材料的表面強化領域。由于等離子體中存在大量的活化分子、活化原子、電子、光子、自由基等活性粒子,這可以使部分發生條件較為嚴苛的化學反應更容易實現。

低溫等離子體方法在改性材料方面具有許多優勢,如環境友好、處理材料方便、不會產生二次污染。與熱等離子體相比,低溫等離子體具有更低的能量密度和電離度。在低溫等離子體中,由于電子在相同的電場下更容易被加速,電子溫度通常比重電離粒子溫度高得多,所以等離子體改性過程很容易保持在較低的溫度,甚至是在室溫下。因此,使用等離子體技術可以很容易地實現吸附材料的改性,這比傳統的化學改性方法要方便得多。

為了提升碳紙與催化劑材料間的結合強度,采用等離子體處理方式對碳紙進行表面改性,并對處理后的碳紙進行SEM、接觸角、AFM分析，探究碳紙經過等離子處理提升與催化劑結合強度的原理。

等離子體改性處理碳基底研究

SEM分析

由圖1和圖2可知,經氬氣等離子體處理后(300W,5分鐘),可以看到碳紙表面的球狀顆粒被轟擊刻蝕,沒有枝狀粘連,具有更加分散的形態和更小的顆粒粒徑,由此推測,等離子體處理后的碳紙可負載催化劑面積相對增大。

碳紙等離子體處理前后SEM圖像

接觸角測試分析

通過接觸角測試儀測量碳紙基底對水的接觸角,即水對碳紙的浸潤性。由圖3和圖4可知,經氬氣等離子體處理后(300W,5分鐘),碳紙基底由疏水性(接觸角154.7°),變為親水性(接觸角42.5°),引起碳基底與水分子結合力增強,導致碳紙基底與電沉積液中金屬離子之間的結合力增強,在一定接觸面積上沉積更多的催化劑團簇,從而進一步提高催化劑的催化性能。

碳紙等離子體處理前后接觸角對比

AFM分析

通過原子力顯微鏡對碳基底進行納米區域的物理性質包括形貌進行探測。由圖5和圖6可知,相比于未經處理的碳基底,經Ar等離子體處理的碳基底更加粗糙,出現密集的峰和谷。由此可以推知,等離子體改性可以通過進行表面蝕刻的方式改變材料表面粗糙度,這可能會消除碳紙基底表面上的弱邊界,并在碳基底表面引入更大起伏,有助于增加比表面積,同時在表面形成更多可以與催化劑和反應物結合的位點。

碳紙等離子體處理前后AFM圖像

經低溫等離子體處理后,碳紙物理性質發生改變,由疏水性變為親水性,且表面粗糙度增加,在表面分布更多具有一定高度差的峰和谷,說明氬氣等離子體處理碳紙基底可以增強基底和催化劑之間相互作用,同時擴大催化劑和反應物的接觸面積,從而提高整體催化劑電極材料的反應活性。