碳纸等离子体改性处理提高与催化剂的结合性能-plasma

等离子体被称为“物质的第四种状态”,作为一种特殊的气体状态物质,通常是在高温或者强电磁场作用下才能产生。等离子体的组成包括离子、电子以及未电离的中性粒子,其整体呈现电中性。等离子体的存在形式十分特殊,因为化学活性极高、能够和电磁场相互作用,这种得天独厚的优势使得其被广泛应用于材料的表面强化领域。由于等离子体中存在大量的活化分子、活化原子、电子、光子、自由基等活性粒子,这可以使部分发生条件较为严苛的化学反应更容易实现。

低温等离子体方法在改性材料方面具有许多优势,如环境友好、处理材料方便、不会产生二次污染。与热等离子体相比,低温等离子体具有更低的能量密度和电离度。在低温等离子体中,由于电子在相同的电场下更容易被加速,电子温度通常比重电离粒子温度高得多,所以等离子体改性过程很容易保持在较低的温度,甚至是在室温下。因此,使用等离子体技术可以很容易地实现吸附材料的改性,这比传统的化学改性方法要方便得多。

为了提升碳纸与催化剂材料间的结合强度,采用等离子体处理方式对碳纸进行表面改性,并对处理后的碳纸进行SEM、接触角、AFM分析，探究碳纸经过等离子处理提升与催化剂结合强度的原理。

等离子体改性处理碳基底研究

SEM分析

由图1和图2可知,经氩气等离子体处理后(300W,5分钟),可以看到碳纸表面的球状颗粒被轰击刻蚀,没有枝状粘连,具有更加分散的形态和更小的颗粒粒径,由此推测,等离子体处理后的碳纸可负载催化剂面积相对增大。

碳纸等离子体处理前后SEM图像

接触角测试分析

通过接触角测试仪测量碳纸基底对水的接触角,即水对碳纸的浸润性。由图3和图4可知,经氩气等离子体处理后(300W,5分钟),碳纸基底由疏水性(接触角154.7°),变为亲水性(接触角42.5°),引起碳基底与水分子结合力增强,导致碳纸基底与电沉积液中金属离子之间的结合力增强,在一定接触面积上沉积更多的催化剂团簇,从而进一步提高催化剂的催化性能。

碳纸等离子体处理前后接触角对比

AFM分析

通过原子力显微镜对碳基底进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测。由图5和图6可知,相比于未经处理的碳基底,经Ar等离子体处理的碳基底更加粗糙,出现密集的峰和谷。由此可以推知,等离子体改性可以通过进行表面蚀刻的方式改变材料表面粗糙度,这可能会消除碳纸基底表面上的弱边界,并在碳基底表面引入更大起伏,有助于增加比表面积,同时在表面形成更多可以与催化剂和反应物结合的位点。

碳纸等离子体处理前后AFM图像

经低温等离子体处理后,碳纸物理性质发生改变,由疏水性变为亲水性,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,说明氩气等离子体处理碳纸基底可以增强基底和催化剂之间相互作用,同时扩大催化剂和反应物的接触面积,从而提高整体催化剂电极材料的反应活性。