介质阻挡放电等离子改性碳纳米管

章导读

通过介质阻挡放电等离子体来改性碳纳米管，氮气或氩气作为等离子体发生气体。研究了改性电压和改性次数对碳纳米管的影响，结果表明：氮气等离子体能增加碳纳米管表面的含氮官能团，氩气等离子体可清洁碳纳米管表面，并不破坏其内部结构。改性后，碳纳米管的比表面积和表面粗糙度增加。

一、实验

打开等离子体电源，控制气体流量与进料速度，通过多次改性来延迟等离子处理的时间，研究了改性电压、次数对碳纳米管的形貌和结构的影响。

二、结果与讨论

改性后的碳纳米管形貌如图所示。可以观察到未处理的碳纳米管表面存在一些无序的碳材料结构和污染物。氮气等离子体改性后，碳纳米管周围的颗粒被有效的清洁和刻蚀，形貌较为清晰。改性20次后，碳纳米管表面变得光滑且表面的杂质颗粒被彻底移除。而氩气等离子体处理时，改性10次后的效果与氮气处理20次后的较为接近。20次时，碳纳米管的尺寸和平整度保持稳定，但是更多的缠绕在一起，有一定的烧结现象。

图2是在不同电压时，氮气等离子体改性15次后，碳纳米管的透射电镜图。当改性电压为8kV时，碳纳米管表面光滑，随着电压的升高，尤其是达到14kV时，碳纳米管的直径趋于一致，且相互“捆绑”在一起。但竹节状的碳纳米管较多且“竹节”较为清晰。

图3是在不同电压时，氩气等离子体改性15次后，碳纳米管的透射电镜图。电压为8kV时，依然存在较为明显的颗粒，部分颗粒独立存在，部分颗粒依附在碳纳米管尾部。随着改性电压的升高，碳纳米管逐渐变得干净和平整。相比氮气等离子体改性，氩气改性很难发现竹节形状的碳纳米管。

从图4中可以看出，在不同的电压下，氮气改性之后的碳纳米管的 ID/IG数值为 0.88 和 0.87。ID/IG的下降说明了氮气等离子体改性之后碳纳米管表面结构缺陷随之减少。当电压大于 10 kV后，数值基本保持稳定。在相同电压下的氩气等离子体改性后，碳纳米管的ID/IG数值为 0.91 和 1.14，所得结果与氮气等离子体改性后有显著的差别。氮气等离子体改性的过程中，碳纳米管表面被纯化之后，氮气等离子体对其表面不断进行功能化，并没有强烈的刻蚀作用使得其石墨化程度降低。

不同条件改性之后的碳纳米管比表面积如图5所示。原始的比表面积为161.7m2g-1。氮气等离子体改性后的碳纳米管比表面积从173.3 m2g-1变化到214.4 m2g-1。在 8kV和10 kV 的改性电压下，碳纳米管的比表面积随着改性次数的增加而增加。然而，在 12 kV和14 kV 的改性条件下，随着改性次数的增加，碳纳米管的比表面积先增大后减小。氩气等离子体改性的条件下，随着改性次数的延长和改性电压的升高，碳纳米管的比表面积从177.6 m2g-1变化到221.5 m2g-1。碳纳米管在改性之后形成了介孔材料来吸附更多的氮气。

三、结论

1）氩气对碳纳米管表面主要起到清洁和纯化的作用，当改性电压为 12kV，改性次数为 20 次时，氩气对碳纳米管表面强烈的轰击作用会使得碳纳米管表面产生烧结现象。

2）氮气等离子体改性中，当改性电压为 12kV，改性次数超过 10 次时，碳纳米管内部出现“竹节状”碳纳米管；当改性次数为 15 次，改性电压高于 10kV开始，“竹节状”碳纳米管开始出现并增多。