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等離子體被稱為“物質(zhì)的第四種狀態(tài)”,作為一種特殊的氣體狀態(tài)物質(zhì),通常是在高溫或者強(qiáng)電磁場(chǎng)作用下才能產(chǎn)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(xiàn)電中性。等離子體的存在形式十分特殊,因?yàn)榛瘜W(xué)活性極高、能夠和電磁場(chǎng)相互作用,這種得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)使得其被廣泛應(yīng)用于材料的表面強(qiáng)化領(lǐng)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(fā)生條件較為嚴(yán)苛的化學(xué)反應(yīng)更容易實(shí)現(xiàn)。

低溫等離子體方法在改性材料方面具有許多優(yōu)勢(shì),如環(huán)境友好、處理材料方便、不會(huì)產(chǎn)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(chǎng)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(guò)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(shù)可以很容易地實(shí)現(xiàn)吸附材料的改性,這比傳統(tǒng)的化學(xué)改性方法要方便得多。

為了提升碳紙與催化劑材料間的結(jié)合強(qiáng)度,采用等離子體處理方式對(duì)碳紙進(jìn)行表面改性,并對(duì)處理后的碳紙進(jìn)行SEM、接觸角、AFM分析，探究碳紙經(jīng)過(guò)等離子處理提升與催化劑結(jié)合強(qiáng)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(jīng)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(méi)有枝狀粘連,具有更加分散的形態(tài)和更小的顆粒粒徑,由此推測(cè),等離子體處理后的碳紙可負(fù)載催化劑面積相對(duì)增大。

碳紙等離子體處理前后SEM圖像

接觸角測(cè)試分析

通過(guò)接觸角測(cè)試儀測(cè)量碳紙基底對(duì)水的接觸角,即水對(duì)碳紙的浸潤(rùn)性。由圖3和圖4可知,經(jīng)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?yōu)橛H水性(接觸角42.5°),引起碳基底與水分子結(jié)合力增強(qiáng),導(dǎo)致碳紙基底與電沉積液中金屬離子之間的結(jié)合力增強(qiáng),在一定接觸面積上沉積更多的催化劑團(tuán)簇,從而進(jìn)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(duì)比

AFM分析

通過(guò)原子力顯微鏡對(duì)碳基底進(jìn)行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進(jìn)行探測(cè)。由圖5和圖6可知,相比于未經(jīng)處理的碳基底,經(jīng)Ar等離子體處理的碳基底更加粗糙,出現(xiàn)密集的峰和谷。由此可以推知,等離子體改性可以通過(guò)進(jìn)行表面蝕刻的方式改變材料表面粗糙度,這可能會(huì)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(shí)在表面形成更多可以與催化劑和反應(yīng)物結(jié)合的位點(diǎn)。

碳紙等離子體處理前后AFM圖像

經(jīng)低溫等離子體處理后,碳紙物理性質(zhì)發(fā)生改變,由疏水性變?yōu)橛H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(shuō)明氬氣等離子體處理碳紙基底可以增強(qiáng)基底和催化劑之間相互作用,同時(shí)擴(kuò)大催化劑和反應(yīng)物的接觸面積,從而提高整體催化劑電極材料的反應(yīng)活性。