Adv. Mater.:相称的石墨烯涂层对铜的耐腐蚀性的增强作用

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。

【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

Adv. Mater.:相称的石墨烯涂层对铜的耐腐蚀性的增强作用

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

Adv. Mater.:相称的石墨烯涂层对铜的耐腐蚀性的增强作用

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

Adv. Mater.:相称的石墨烯涂层对铜的耐腐蚀性的增强作用

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

Adv. Mater.:相称的石墨烯涂层对铜的耐腐蚀性的增强作用

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)

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