质谱技术有助于精确控制用于碳材料的氮气（N2）等离子体表面处理过程

《Surface and Coatings Technology》：Mass spectrometry facilitates the precise control of N 2 plasma surface treatment for carbon materials

采用新型等离子体反应器，结合射频感应耦合和直流偏压控制，实现离子通量和能量的独立调控。通过能量选择质谱监测，发现5-23 eV离子导致石墨烯结构缺陷，而高能离子（通过直流偏压调控）显著提升碳纸的氧还原催化性能，揭示离子能量对材料改性机制的影响。

　　在本研究中，科学家们探讨了一种新型等离子体反应器在氮气（N?）等离子体处理碳基材料中的应用。该反应器结合了射频感应耦合等离子体（RF ICP）与电极壁上的直流偏压（DC bias），使得在小面积接地电极上能够独立控制离子通量和能量。同时，研究团队在接地电极上集成了能量选择性质谱仪，用于测量在处理过程中到达样品的离子组成和能量。这一方法不仅有助于理解等离子体与材料表面之间的相互作用，还为未来等离子体技术的应用提供了理论基础。

等离子体表面处理是一种广泛应用于功能材料制备的技术，具有高效和经济的特点。等离子体区域中离子化和激发的物种浓度较高，这使其成为优化材料表面性质的有效手段。此外，等离子体处理还具备过程时间短、能量效率高以及加热效应小等优势，因此在材料科学领域受到广泛关注。近年来，等离子体处理被用于合成高性能、低成本的电极材料，例如通过氮气等离子体处理制造用于锌空气电池的Mn-CoN-1.5催化剂，以及通过氩气等离子体诱导相重构制备用于氧还原反应（ORR）的NiS/NiFe?O?复合催化剂。然而，目前的研究大多将等离子体视为一种工具，仅关注处理时间、电源和工作压力等优化参数，而忽略了等离子体中离子的多样性和其对材料表面的影响。由于不同反应器的结构差异，这些数据在不同设备之间的适用性有限，因此需要更深入地研究等离子体中的离子特性，以提高等离子体技术的可控性和通用性。

本研究聚焦于两种具有代表性的碳基材料：单层石墨烯和碳纸。通过在反应器中引入能量选择性质谱仪，科学家们能够更精确地监测在处理过程中到达样品的离子能量和通量分布。在单层石墨烯的处理中，研究人员发现通过改变反应器压力可以调控离子能量和通量，从而影响材料表面的结构变化。实验结果表明，在低压力下，离子能量较低，导致石墨烯表面几乎没有明显变化，仅在某些情况下出现轻微的2D峰展宽。而当压力升高时，离子通量和能量增加，导致石墨烯表面出现额外的D和D′峰，并且原始D峰的强度下降，表明材料结构发生了变化。当压力达到最低值时，离子能量较高，导致石墨烯的破坏或去除。

对于碳纸的处理，研究人员发现通过调整直流偏压可以有效提高离子能量，从而增强其催化性能。在处理过程中，当直流偏压为60伏时，离子能量达到最高值，使得碳纸的ORR性能显著提升。通过X射线光电子能谱（XPS）分析，研究人员发现碳纸表面的氮和氧元素含量增加，表明氮气等离子体处理成功地将氮原子引入碳材料中，并在碳表面形成了更多的缺陷和悬挂键。同时，XPS结果还显示，碳纸表面的氮元素主要以吡啶氮、吡咯氮和石墨氮的形式存在，这些氮元素的引入显著提升了碳纸的催化活性。

研究还发现，高能量离子在处理过程中不仅能够增强碳纸的催化性能，还能促进碳缺陷的形成。这表明，离子能量的调控对于碳基材料的表面改性至关重要。通过调整反应器压力和直流偏压，科学家们能够更精确地控制离子能量和通量，从而实现对材料表面性质的优化。此外，研究还指出，较低的能量离子在处理过程中可能无法有效引入氮原子，而较高的能量离子则能够促进氮原子与碳原子的反应，从而形成更稳定的碳-氮键。

通过这些实验，科学家们不仅验证了氮气等离子体处理在碳基材料表面改性中的有效性，还为未来等离子体技术的应用提供了重要的理论支持。研究结果表明，离子能量和通量的调控是提高等离子体处理效果的关键因素，而能量选择性质谱仪的引入使得这一过程的监测更加精确和系统。这些发现为等离子体处理在功能材料制备中的应用提供了新的思路，也为进一步研究等离子体与材料表面之间的相互作用奠定了基础。