Adv. Mater.：相称的石墨烯涂层对铜的耐腐蚀性的增强作用

【引言】

金属腐蚀是历史上长期存在的问题，超高抗腐蚀性是金属相关行业的终极追求。金属腐蚀会降解金属材料及其结构，从而导致巨大的经济损失。传统的防腐蚀方法，如保护涂层或牺牲阳极，具有短期功能（通常少于5年），要求非常厚涂层材料（从0.01到几毫米），因此，长期的薄层防腐涂料一直是现代工业的追求，并致力于这一工程方向。石墨烯原则上可以成为防腐蚀的革命性材料，因为它对任何分子或离子（质子除外）都具有优异的抗渗性。然而，在实际应用中发现，一旦腐蚀性流体渗入界面，金属石墨烯与被保护的金属形成电化学电路，以加速腐蚀。因此，石墨烯是否可以作为一种优良的防腐材料尚有较大的争议。

【成果简介】

近日，北京大学刘开辉研究员、江颖研究员和韩国基础研究院丁峰教授（共同通讯作者）等人在Adv. Mater.上发表了题为“Greatly Enhanced Anticorrosion of Cu by Commensurate Graphene Coating”的文章。采用石墨烯涂覆的Cu来研究金属的平面依附性防腐蚀性能，并进一步解决了石墨烯抗蚀能力的矛盾，通过相应的石墨烯涂层为超高性金属的防腐开辟了新契机。

【图文导读】

图1. 石墨烯包覆铜的表面依附性氧化

（a）石墨烯涂覆的Cu（100）在干燥的空气中在50℃下氧化4小时

（b）在用水蒸气处理在50℃下处理4小时

（c）在空气中一年

（d）Gr / Cu（100）和Gr / Cu（111）的拉曼光谱证实主要在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小时并且在50℃水蒸气中

（f）在22℃空气下氧化2.5年后

图2. Gr / Cu系统中的倒易空间表面结构

（a，b）在不同电子能量下获得的石墨烯和Cu（111）的LEED图案。 （c）Cu（111）上的石墨烯晶格的示意图。 碳原子与铜相匹配

（d，e）在不同电子能量下获得的石墨烯和Cu（100）的LEED图案。 石墨烯晶格与Cu（100）显示扭曲角

（f）Cu（100）上的石墨烯晶格的示意图。 碳原子不能与Cu相匹配

图3. Gr / Cu系统中的实空间表面结构和界面耦合

（a，b）分别在Cu（111）和Cu（100）上的石墨烯的STM形貌，显示出两种不同的表面构型

（c）铜（100）上的一维石墨烯起皱的STM形貌。 一维起皱的线轮廓叠加在图像上，表明其高度约为2

（d）这两种配置的dI / dV谱。 在石墨烯/ Cu（100）上可以观察到明显的间隙样特征，而石墨烯/ Cu（111）上没有这种特征。 dI / dV光谱的设定点：0.5V和100pA

图4. 石墨烯涂覆的Cu表面的皱褶和H₂O分子吸附形成的理论模拟

（a）和（b）分别为Gr / Cu（111）和Cu（100）相对于起皱高度（定义为从石墨烯的平坦部分到起皱峰值的距离）的相对能量

（c）和（d）分别为平面石墨烯涂覆的Cu（111）和（100）表面与插入H₂O分子的侧视图

（e）和（f）分别为裸露和起皱的石墨烯涂覆的Cu（100）表面的吸附水分子的侧视图。同时也给出了四种结构的相应形成能。橙色，灰色，红色和白色的球分别代表Cu、C、O和H原子

【小结】

本文采用的石墨烯涂覆的Cu来研究金属的小平面依附性防腐蚀，同时研究表明，生长的石墨烯可以保护Cu（111）表面在湿空气中氧化持续2.5年以上，与石墨烯涂层Cu（100）表面的加速氧化形成鲜明对比。进一步的原子尺度表征和初始计算揭示了相称的石墨烯/ Cu（111）的强界面耦合防止H₂O扩散进入石墨烯/ Cu（111）界面，而在Cu上的不相称的石墨烯中会形成的一维褶皱（100）促进H₂O在界面处的扩散。

文献链接：Greatly Enhanced Anticorrosion of Cu by Commensurate Graphene Coating（Adv. Mater.，2017，DOI：10.1002/adma.201702944）

本文由材料人编辑部张润凯编译， 陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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