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等離子體作為物質(zhì)狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子體）中能量最高的第四態(tài)物質(zhì)，由于其具有的化學(xué)反應(yīng)性及一些特異性能，且少污染、無公害等優(yōu)點使得其在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如催化領(lǐng)域、等離子體化學(xué)氣相沉積、廢氣處理、超細(xì)顆粒生產(chǎn)、刻蝕材料、表面處理以及材料合成等領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用。

在低溫等離子體中大約含有6種類型的粒子，包括電子、正離子、負(fù)離子、基態(tài)的原子或分子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、游離基等。這些粒子通常比化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的粒子有更強的活性，且更容易與所接觸的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使得材料表面舊化學(xué)鍵斷裂并同時生成新的化學(xué)鍵。有研究人員對低溫等離子體改性材料的可行性進行了分析，發(fā)現(xiàn)存在于低溫等離子體中的各種粒子的能量均高于一些具有代表性化學(xué)鍵的鍵能，從而也就說明了低溫等離子體改性材料的可行性。

碳基材料作為第二次工業(yè)革命關(guān)鍵性支撐材料之一，迄今在能源、電工、石油和高技術(shù)材料等領(lǐng)域應(yīng)用已十分廣泛。目前對碳基材料改性的方式有3大類，即物理法、化學(xué)法和生物法改性。而作為物理化學(xué)法之一的低溫等離子體改性方法因其能耗低、成本低、效率高、不影響基體性能、操作簡便和污染小等優(yōu)點，其在碳基材料改性方面表現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。

低溫等離子體處理對碳基材料的改性

碳基材料表面活性基團或官能團的引入

近年來，低溫等離子體對各種碳基材料的改性研究相當(dāng)活躍。研究發(fā)現(xiàn)，在用低溫等離子體對碳基材料進行處理時，在其表面會生成許多的活性基團或官能團。目前使用較多的改性氣氛有N2、O2、空氣、NH3、He、Ar、H2O及幾種氣體的混合氣氛，而所生成的基團或官能團會因放電氣體的不同而不同。如經(jīng)N2低溫等離子體改性后，在碳基材料表面上會生成較多的含氮基團；經(jīng)氧氣改性后其表面會生成較多的含氧基團；而經(jīng)NH3改性后，在碳基材料表面可能會生成更多的含氮的堿性基團。

低溫等離子體改性對碳基材料界面結(jié)合能的影響

在等離子體處理的過程中，由于會產(chǎn)生許多的活性極性基團，或者是在碳基體材料表面能形成某種以共價鍵作用而形成的新聚合物層，而這種聚合物的存在就可能會使得組分與基體之間的作用力得到加強，許多研究者把這種作用叫作等離子體接枝作用，且研究還發(fā)現(xiàn)不同氣氛條件下的等離子體改性處理對碳材料表面結(jié)合能的影響也不盡相同。而從機械力的角度考慮的話，研究認(rèn)為這主要是等離子體對基體的刻蝕作用而導(dǎo)致組分與基體間的機械力增強。經(jīng)低溫等離子體處理后，碳基材料的界面結(jié)合力會有所變化，這為今后高性能復(fù)合型碳基材料的研發(fā)提供了一個新的研究方向。

低溫等離子體改性對碳基材料吸附性能的影響

影響碳基材料尤其是活性炭由于其發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)而被廣泛應(yīng)用于吸附領(lǐng)域。而為了進一步提高其吸附性能，許多研究者運用各種改性方法對其進行了改性研究，其中用等離子體改性的應(yīng)用研究也比較活躍。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)等離子體改性之后，由于產(chǎn)生許多的化學(xué)活性位點，所以導(dǎo)致碳基材料對吸附質(zhì)的化學(xué)性吸附的影響比較明顯。經(jīng)氮氣、氧氣或其他改性氣氛處理后，碳基材料不論是對金屬離子、大分子有機物還是氣體分子的吸附能力都會有很大的提高。

低溫等離子體改性對碳基材料物理結(jié)構(gòu)的影響

很多研究發(fā)現(xiàn)在等離子體改性碳基材料時，用氧氣氣氛改性對碳基材料比表面積和孔結(jié)構(gòu)的影響比較明顯。主要原因是氧原子之間的鍵能較低，在放電過程中更容易形成更多的活性粒子，研究發(fā)現(xiàn)在氧等離子體中生成的物種主要有O2+、O+、O2?、O?和O3等，所以氧等離子體對炭的氣化或是刻蝕能力更強，導(dǎo)致對碳基材料的改性更徹底，改性強度更大。

低溫等離子體改性對負(fù)載組分分散度的影響

負(fù)載型碳基材料的應(yīng)用目前處在一個什么活躍的階段，尤其是在催化領(lǐng)域的應(yīng)用更為頻繁。負(fù)載型碳基催化劑的一個很明顯的特點就是活性表面大，而常規(guī)的負(fù)載方法卻很難達到理想的負(fù)載效果。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)低溫等離子體對碳基材料進行表面改性后，負(fù)載組分大多呈現(xiàn)出無定形的形式，且很多研究發(fā)現(xiàn)改性后對負(fù)載組分顆粒的尺寸也會產(chǎn)生明顯的影響，更小的顆粒更有利于其嵌入到炭的孔道內(nèi)，從而導(dǎo)致炭的活性表面更大，使得碳基催化劑的活性更高。

低溫等離子體處理作為一種對碳基材料有效的改性方法，對其物理化學(xué)性能都有著明顯的影響，且在許多領(lǐng)域都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。①對于等離子體改性后對碳材料物理化學(xué)性能的顯著影響，再基于碳材料本身的優(yōu)良性能，等離子體改性技術(shù)在吸附和催化領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)出廣闊的前景，且通過等離子體接枝技術(shù)制備出選擇性極高的吸附材料，有望運用于多種工業(yè)廢氣的凈化及資源化。②利用等離子體接枝技術(shù)制備藥物緩釋載體，即在碳材料表面接枝上目標(biāo)藥物，以實現(xiàn)藥物靶向運輸。該技術(shù)有望在醫(yī)療領(lǐng)域得到較好運用。另外，等離子體接枝技術(shù)在傳感器生產(chǎn)方面也有望得到應(yīng)用。即通過接枝技術(shù)提高碳材料在有機溶劑或聚合物基體中的分散性，從而提高復(fù)合材料對有機溶劑的電阻響應(yīng)強度和重現(xiàn)性。另外，等離子體改性碳基材料技術(shù)在電池材料、信息儲存材料、儲氫材料及人工視網(wǎng)膜材料等領(lǐng)域也有望得到較好應(yīng)用。