大科学中心史武军副研究员与合作者在金属铜防腐研究方面取得重要进展

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我校大科学中心联合物质学院与北京大学研究团队近期报道了双层石墨烯修饰铜表面能有效阻止其被氧化腐蚀方面研究。该成果以“Enhanced copper anticorrosion from Janus-doped bilayer graphene”为题，在国际知名期刊Nature communications上发表。

PART 1.

在日常生活中，金属铜作为良导体被广泛应用在电力传输、电子学、集成电路等方面，然而铜很容易被氧化腐蚀，被氧化之后将失去导电性，变成了绝缘体。每年因为铜被氧化腐蚀，给全球带来了巨大的经济损失，因此寻找一种有效的防腐方法将对减少各国经济损失起到重要作用。研究人员发现经过双层石墨烯修饰铜表面之后，可以起到很好防腐作用，在室温下存放可长达5年几乎未被腐蚀（见图1a）。

PART 2.

为了研究防腐蚀的机理，研究人员分别制备了由单层和双层石墨烯修饰的铜表面样品，将其放在不同环境下观测氧化腐蚀的过程。研究发现暴露在200℃的空气中，金属铜表面大约30分钟就几乎全部被氧化腐蚀而失去了导电性，单层石墨烯修饰的区域则在15天后表面70%被氧化腐蚀，而双层石墨烯覆盖的区域15天几乎没有被腐蚀（见图1b），因此进一步确定在高温下双层石墨烯也可以起到很好的防腐作用。为了进一步研究氧化腐蚀过程以及双层石墨烯是如何防止氧化腐蚀，研究人员采用近常压光电子能谱（NAP-XPS）（见图1c）、原位环境扫描电镜（in situ ESEM）（见图1d）、纳米角分辨光电子能谱（nano-ARPES）（见图1e-f）、第一性原理计算（见图1g-h）等手段进行了研究。发现双层石墨烯比单层石墨烯在铜表面吸附的更强，而且有更多的电子由铜转移到下层石墨烯，从而提高了铜被氧化的能垒。而上层石墨烯则接近电中性，因此可以进一步隔离氧气、水等腐蚀性物质，从而达到防腐蚀的效果。该研究有望为极端环境下铜的防腐、下一代电子器件等的应用铺平道路。

PART 3.

北京大学物理学院赵孟泽、张志斌和大科学中心史武军为共同第一作者。北京大学刘开辉、张志斌和物质学院王竹君为通讯作者。上海科技大学为共同完成单位。大科学中心史武军主要负责理论计算来解释双层石墨烯的电子结构以及其抗腐蚀的机理，并在原子尺度证明了金属抗腐蚀的构效关系。物质学院柳仲楷教授所研发的nano-ARPES技术对该工作起到了核心支撑作用。该项目得到了上海市科委项目自然科学基金项目（22ZR1441800）、双一流学科项目、双一流数字材料平台、上科大超算中心支持。

图1. a. 双层石墨烯覆盖的铜在室温下存放了5年的照片；

b. 在200℃的空气中，单层石墨烯覆盖的铜在15天被氧化腐蚀掉70%，而双层石墨烯覆盖的铜几乎没有被腐蚀；

c. 近常压光电子能谱；

d. 原位环境扫描电镜观察到随时间变化的样品；

e-f. nano-ARPES 测量到的顶层和底层石墨烯电子结构；

g-h. 第一性原理计算的顶层和底层石墨烯电子结构。