石墨烯薄膜改善銅的耐腐蝕性

石墨烯薄膜改善銅的耐腐蝕性

石墨烯具有大的比表面積、高的化學(xué)惰性以及優(yōu)異的阻隔性，被認(rèn)為是已知最薄的防護(hù)材料，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備的石墨烯薄膜可直接用于金屬的腐蝕防護(hù)，逐漸成為制備石墨烯防護(hù)薄膜最主要的方法。但石墨烯薄膜在制備過(guò)程不可避免會(huì)引入空位、晶界等結(jié)構(gòu)缺陷，將其長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，腐蝕介質(zhì)容易通過(guò)這些缺陷與基底金屬發(fā)生反應(yīng)，且高導(dǎo)電的石墨烯薄膜將促進(jìn)界面處的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而加速基底金屬的腐蝕。



近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王立平團(tuán)隊(duì)利用CVD技術(shù)在多晶銅襯底上成功制備了一系列的氮摻雜石墨烯薄膜，通過(guò)調(diào)節(jié)NH3的氣流量獲得不同氮濃度的氮摻雜石墨烯薄膜。相關(guān)結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（2018, 6, 24136-24148）上，并作為期刊的Inside back cover被亮點(diǎn)報(bào)道。



同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)氮摻入石墨烯晶格網(wǎng)絡(luò)中會(huì)造成薄膜體系的導(dǎo)電率相比于原始石墨烯下降，在大氣長(zhǎng)效暴露試驗(yàn)條件下，低導(dǎo)電的氮摻雜石墨烯薄膜可抑制電子在腐蝕界面的傳輸，降低銅和氮摻雜石墨烯界面處的電化學(xué)腐蝕速率，有效延緩腐蝕區(qū)域的擴(kuò)散，表現(xiàn)出更佳的長(zhǎng)效腐蝕防護(hù)性能（圖1），但該方法仍不能根除薄膜在生長(zhǎng)過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)缺陷，以及所造成的表面不均勻的腐蝕點(diǎn)。

另一方面，六方氮化硼（h-BN）納米片作為一種石墨烯類(lèi)似物，也具有很好的抗?jié)B透性。王立平團(tuán)隊(duì)通過(guò)CVD法在多晶銅襯底上生長(zhǎng)出不同層數(shù)的h-BN薄膜，由于h-BN自身的絕緣特性，無(wú)論是單層或是多層h-BN薄膜，將其包覆在銅襯底表面都表現(xiàn)出優(yōu)異的大氣長(zhǎng)效防護(hù)性能。在高溫加熱條件下（200℃），單層h-BN薄膜包覆銅箔的氧化主要發(fā)生在薄膜晶界和缺陷處，而多層h-BN的氧化主要集中在薄膜的褶皺區(qū)；相比于單層h-BN薄膜，多層h-BN薄膜能夠有效阻礙氧氣的橫向擴(kuò)散，顯著提高了基底銅的抗氧化性能（圖2）。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（2017, 9, 27152-27165）上。以上研究工作得到中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDY-SSW-JSC009）、國(guó)家自然科學(xué)基金（41506098）、青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（QNLM2016ORP0409）等的資助。

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