Adv. Mater.：相稱的石墨烯涂層對銅的耐腐蝕性的增強作用

【引言】

金屬腐蝕是歷史上長期存在的問題，超高抗腐蝕性是金屬相關行業的終極追求。金屬腐蝕會降解金屬材料及其結構，從而導致巨大的經濟損失。傳統的防腐蝕方法，如保護涂層或犧牲陽極，具有短期功能（通常少于5年），要求非常厚涂層材料（從0.01到幾毫米），因此，長期的薄層防腐涂料一直是現代工業的追求，并致力于這一工程方向。石墨烯原則上可以成為防腐蝕的革命性材料，因為它對任何分子或離子（質子除外）都具有優異的抗滲性。然而，在實際應用中發現，一旦腐蝕性流體滲入界面，金屬石墨烯與被保護的金屬形成電化學電路，以加速腐蝕。因此，石墨烯是否可以作為一種優良的防腐材料尚有較大的爭議。

【成果簡介】

近日，北京大學劉開輝研究員、江穎研究員和韓國基礎研究院丁峰教授（共同通訊作者）等人在Adv. Mater.上發表了題為“Greatly Enhanced Anticorrosion of Cu by Commensurate Graphene Coating ”的文章。采用石墨烯涂覆的Cu來研究金屬的平面依附性防腐蝕性能，并進一步解決了石墨烯抗蝕能力的矛盾，通過相應的石墨烯涂層為超高性金屬的防腐開辟了新契機。

【圖文導讀】

圖1. 石墨烯包覆銅的表面依附性氧化

（a）石墨烯涂覆的Cu（100）在干燥的空氣中在50℃下氧化4小時

（b）在用水蒸氣處理在50℃下處理4小時

（c）在空氣中一年

（d）Gr / Cu（100）和Gr / Cu（111）的拉曼光譜證實主要在Cu（100）表面形成Cu₂O，而不在Cu（111）上

（e）石墨烯涂覆的Cu（111）氧化4小時并且在50℃水蒸氣中

（f）在22℃空氣下氧化2.5年后

圖2. Gr / Cu系統中的倒易空間表面結構

（a，b）在不同電子能量下獲得的石墨烯和Cu（111）的LEED圖案。 （c）Cu（111）上的石墨烯晶格的示意圖。 碳原子與銅相匹配

（d，e）在不同電子能量下獲得的石墨烯和Cu（100）的LEED圖案。 石墨烯晶格與Cu（100）顯示扭曲角

（f）Cu（100）上的石墨烯晶格的示意圖。 碳原子不能與Cu相匹配

圖3. Gr / Cu系統中的實空間表面結構和界面耦合

（a，b）分別在Cu（111）和Cu（100）上的石墨烯的STM形貌，顯示出兩種不同的表面構型

（c）銅（100）上的一維石墨烯起皺的STM形貌。 一維起皺的線輪廓疊加在圖像上，表明其高度約為2

（d）這兩種配置的dI / dV譜。 在石墨烯/ Cu（100）上可以觀察到明顯的間隙樣特征，而石墨烯/ Cu（111）上沒有這種特征。 dI / dV光譜的設定點：0.5V和100pA

圖4. 石墨烯涂覆的Cu表面的皺褶和H₂O分子吸附形成的理論模擬

（a）和（b）分別為Gr / Cu（111）和Cu（100）相對于起皺高度（定義為從石墨烯的平坦部分到起皺峰值的距離）的相對能量

（c）和（d）分別為平面石墨烯涂覆的Cu（111）和（100）表面與插入H₂O分子的側視圖

（e）和（f）分別為裸露和起皺的石墨烯涂覆的Cu（100）表面的吸附水分子的側視圖。同時也給出了四種結構的相應形成能。橙色，灰色，紅色和白色的球分別代表Cu、C、O和H原子

【小結】

本文采用的石墨烯涂覆的Cu來研究金屬的小平面依附性防腐蝕，同時研究表明，生長的石墨烯可以保護Cu（111）表面在濕空氣中氧化持續2.5年以上，與石墨烯涂層Cu（100）表面的加速氧化形成鮮明對比。進一步的原子尺度表征和初始計算揭示了相稱的石墨烯/ Cu（111）的強界面耦合防止H₂O擴散進入石墨烯/ Cu（111）界面，而在Cu上的不相稱的石墨烯中會形成的一維褶皺（100）促進H₂O在界面處的擴散。

文獻鏈接：Greatly Enhanced Anticorrosion of Cu by Commensurate Graphene Coating（Adv. Mater.，2017，DOI：10.1002/adma.201702944）

本文由材料人編輯部張潤凱編譯， 陳炳旭審核， 點我加入材料人編輯部。

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