石墨烯防腐機(jī)理實(shí)現(xiàn)突破，可在200 ℃下保護(hù)銅箔1000小時(shí)以上

熱設(shè)計(jì) 2024-03-04

銅電極的原子厚防腐涂層至關(guān)重要。

石墨烯長(zhǎng)期以來(lái)被期望成為終極防腐材料，但其真正的防腐性能仍存在很大爭(zhēng)議。具體來(lái)說(shuō)，強(qiáng)電子耦合可以限制腐蝕性分子的界面擴(kuò)散，同時(shí)也可以促進(jìn)表面電偶腐蝕。

近日，北京大學(xué)教授、2021年“科學(xué)探索獎(jiǎng)”前沿交叉領(lǐng)域獲獎(jiǎng)人劉開(kāi)輝與上?？萍即髮W(xué)王竹君教授等合作者揭示了銅上雙層石墨烯的雙面各異摻雜機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅箔的超高效防腐——可在200 ℃下保護(hù)銅箔1000小時(shí)以上，達(dá)到了工信部《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄》中要求的1000倍，有望拓展銅在高溫、高濕等極端環(huán)境下的應(yīng)用前景。

相關(guān)研究成果已在線(xiàn)發(fā)表于Nature Communications上。

文獻(xiàn)網(wǎng)址：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43357-1

如此優(yōu)異的耐腐蝕性歸因于雙層石墨烯中重要的Janus摻雜效應(yīng)，其中重?fù)诫s的底層與銅形成強(qiáng)烈的相互作用以限制界面擴(kuò)散，而近電荷中性的頂層表現(xiàn)出惰性以減輕電偶腐蝕。

研究人員利用雙層石墨烯覆蓋，實(shí)現(xiàn)了高效（200 ℃下1000小時(shí)，室溫環(huán)境下5年）的銅表面腐蝕保護(hù)。并且，研究團(tuán)隊(duì)證明，此方法的有效性與銅的晶面、石墨烯的堆疊方式無(wú)關(guān)，且適用于高溫（高至600 ℃）、高濕（80 ℃水中浸泡）等多種環(huán)境，極大地?cái)U(kuò)展了石墨烯原子級(jí)防腐涂層的應(yīng)用前景。

精細(xì)的電子能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征證明，銅上雙層石墨烯具有雙面各異的摻雜機(jī)制：底層石墨烯與銅具有更多的電荷轉(zhuǎn)移和更強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致腐蝕性分子的界面擴(kuò)散更加困難；而頂層石墨烯則幾乎未被摻雜而接近電中性，有效抑制了表面電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。