石墨烯到底能够防止还是加速铜的腐蚀?

Son教授总结说:“近十年来,石墨烯的抗腐蚀性能一直存在争议,许多研究表明,石墨烯会加速铜的氧化(导致其腐蚀)。我们首次证明了石墨烯-Cu2O杂化物与裸铜相比,这种结构的形成从长远来看大大降低了铜的氧化速度。”

韩国中央大学(Chung-Ang University)的科学家们在Hyungbin SonKorea教授的带领下,观察到石墨烯形成一种防止铜腐蚀的杂化层的独特方式。

石墨烯到底能够防止还是加速铜的腐蚀?

石墨烯到底是会促进还是防止铜的腐蚀?新的研究终于解决了争论

铜的使用面临的一个挑战在于即使在环境条件下,铜的表面也会随时间氧化,最终造成其腐蚀。因此找到一种保护铜裸露表面的方法非常有价值。保护金属表面的一种常用方法是在其上涂上防腐蚀物质。石墨烯作为抗腐蚀涂层的候选材料已被广泛研究,因为它可作为气体分子的屏障。但是,有相关研究称石墨烯片层只能在短时间内(少于24小时)保护铜免受腐蚀。令人惊讶的是在初始阶段之后,石墨烯似乎可能还会提高铜的腐蚀速率,这与它的抗腐蚀性质完全相反。

为了弄清铜中石墨烯的特殊性质,韩国研究小组研究了铜基上的石墨烯岛,分析了其腐蚀模式。Son教授解释说:“众所周知,石墨烯在机械上非常坚固,并且对所有气体(包括氢)都具有不渗透性。此前有研究声称,石墨烯由于各种缺陷而加速了铜基材的腐蚀,这些特性作为金属的氧化阻挡层受到了极大的关注,并在十多年来一直存在。然而,它们还没有在更长的时间尺度上进行定性研究。因此,我们有动机去研究石墨烯在石墨烯-铜界面上作为耐腐蚀膜的作用。” Son教授及其团队使用拉曼光谱仪,扫描电子显微镜和白光干涉仪观察了30天的铜腐蚀趋势。

研究小组检测到腐蚀首先在边缘发生,从而在边缘,晶界和原子缺失等各种缺陷处扩散了铜,氧化铜(Cu2O)的氧化形式。这导致水蒸气分裂,为氧化过程提供氧气,直到整个屏障似乎变得无用,使得下面的铜被完全腐蚀。由于石墨烯对周围水蒸气的影响,铜基板的受保护部分比未受保护的部分腐蚀更严重。随着时间的流逝,在石墨烯片下面形成的Cu2O分散了应变,并在石墨烯中引起了p掺杂,形成了杂化状结构。但是,在暴露于环境条件下13天后,研究小组发现了一些新东西。他们观察到,在新石墨烯和氧化亚铜层形成的地方,腐蚀速度明显减慢。与此同时,未受保护的铜继续以恒定的速率腐蚀,直到其渗透深度远远超过石墨烯防护层下的腐蚀。

这些发现表明,石墨烯实际上可以保护铜免受深度的穿透性氧化,这与先前的研究结论不同。Son教授解释说:“我们观察到,在更长的时间范围内(超过1年),石墨烯-Cu2O杂化结构成为抗氧化保护层。石墨烯以外的区域被CuO严重氧化,深度为270 nm 。”

Son教授总结说:“近十年来,石墨烯的抗腐蚀性能一直存在争议,许多研究表明,石墨烯会加速铜的氧化(导致其腐蚀)。我们首次证明了石墨烯-Cu2O杂化物与裸铜相比,这种结构的形成从长远来看大大降低了铜的氧化速度。”

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