a8体育史武軍副研究員與合作者在金屬銅防腐研究方面取得重要進展

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我校a8体育聯合物質學院與北京大學研究團隊近期報道了雙層石墨烯修飾銅表面能有效阻止其被氧化腐蝕方面研究🖖🏼👨🏿‍⚕️。該成果以“Enhanced copper anticorrosion from Janus-doped bilayer graphene”為題，在國際知名期刊Nature communications上發表。

PART 1.

在日常生活中，金屬銅作為良導體被廣泛應用在電力傳輸🔻、電子學🤌🏿、集成電路等方面👨🏼‍✈️，然而銅很容易被氧化腐蝕，被氧化之後將失去導電性，變成了絕緣體🏂🏼。每年因為銅被氧化腐蝕，給全球帶來了巨大的經濟損失🧑🏼‍⚕️，因此尋找一種有效的防腐方法將對減少各國經濟損失起到重要作用。研究人員發現經過雙層石墨烯修飾銅表面之後，可以起到很好防腐作用💆🏻‍♀️，在室溫下存放可長達5年幾乎未被腐蝕（見圖1a）👩‍🎨。

PART 2.

為了研究防腐蝕的機理，研究人員分別製備了由單層和雙層石墨烯修飾的銅表面樣品👨‍🍳，將其放在不同環境下觀測氧化腐蝕的過程。研究發現暴露在200℃的空氣中，金屬銅表面大約30分鐘就幾乎全部被氧化腐蝕而失去了導電性，單層石墨烯修飾的區域則在15天後表面70%被氧化腐蝕♦️，而雙層石墨烯覆蓋的區域15天幾乎沒有被腐蝕（見圖1b），因此進一步確定在高溫下雙層石墨烯也可以起到很好的防腐作用。為了進一步研究氧化腐蝕過程以及雙層石墨烯是如何防止氧化腐蝕，研究人員采用近常壓光電子能譜（NAP-XPS）（見圖1c）、原位環境掃描電鏡（in situ ESEM）（見圖1d）、納米角分辨光電子能譜（nano-ARPES）（見圖1e-f）🚳🥙、第一性原理計算（見圖1g-h）等手段進行了研究🚹。發現雙層石墨烯比單層石墨烯在銅表面吸附的更強7️⃣，而且有更多的電子由銅轉移到下層石墨烯，從而提高了銅被氧化的能壘®️🪛。而上層石墨烯則接近電中性，因此可以進一步隔離氧氣、水等腐蝕性物質，從而達到防腐蝕的效果。該研究有望為極端環境下銅的防腐🤢、下一代電子器件等的應用鋪平道路。

PART 3.

北京大學物理學院趙孟澤、張誌斌和a8体育史武軍為共同第一作者🧛🏿‍♀️。北京大學劉開輝🔻、張誌斌和物質學院王竹君為通訊作者💂🏻‍♀️。a8体育官网為共同完成單位。a8体育史武軍主要負責理論計算來解釋雙層石墨烯的電子結構以及其抗腐蝕的機理，並在原子尺度證明了金屬抗腐蝕的構效關系。物質學院柳仲楷教授所研發的nano-ARPES技術對該工作起到了核心支撐作用🖐。該項目得到了上海市科委項目自然科學基金項目（22ZR1441800）🪀🔵、雙一流學科項目、雙一流數字材料平臺、上科大超算a8支持🧑🏽‍🦲。

圖1. a. 雙層石墨烯覆蓋的銅在室溫下存放了5年的照片；

b. 在200℃的空氣中，單層石墨烯覆蓋的銅在15天被氧化腐蝕掉70%，而雙層石墨烯覆蓋的銅幾乎沒有被腐蝕；

c. 近常壓光電子能譜；

d. 原位環境掃描電鏡觀察到隨時間變化的樣品🚻📉；

e-f. nano-ARPES 測量到的頂層和底層石墨烯電子結構🖐🏿；

g-h. 第一性原理計算的頂層和底層石墨烯電子結構🐠。