韓國中央大學(xué)的Hyungbin Son教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊觀察到了一種利用石墨烯形成防止銅腐蝕雜化層的獨特方法。

銅是人類廣泛使用的一種金屬。使用銅的主要挑戰(zhàn)在于，即使在室溫環(huán)境條件下，銅的表面也會隨使用時間的延長發(fā)生氧化，最終導(dǎo)致腐蝕。因此，找到一種長期保護(hù)銅裸露表面的方法是一項艱巨而有意義的工作。保護(hù)金屬表面最常用的方法就是在涂覆防腐蝕物質(zhì)。石墨烯作為抗腐蝕涂層的候選材料已被廣泛研究，因為它可作為隔絕氣體分子的屏障。但是，盡管具有這些特性，現(xiàn)有研究表明石墨烯片只能在短時間內(nèi)（少于24小時）保護(hù)銅免受腐蝕。實際上，令人驚訝的是，在度過初始階段后，石墨烯還有可能提高銅的被腐蝕速率，這與石墨烯涂層帶來的抗腐蝕性質(zhì)完全相反。

為了闡明銅表面涂覆石墨烯的特殊性質(zhì)，韓國團(tuán)隊研究了銅基板上的石墨烯分布，分析其腐蝕方式。Son教授解釋表示：“眾所周知，石墨烯具有很好的機(jī)械性能，并且對所有氣體（包括氫）都具有不滲透性。后續(xù)有研究證實，石墨烯由于各種缺陷反而加速了銅基材的腐蝕，這使得將石墨烯用作氧化阻隔層了功能受到了廣泛的質(zhì)疑，這種爭議目前已經(jīng)存在了十年，不過，在這樣長的時間范圍內(nèi)仍沒有對此進(jìn)行定性研究。因此，我們有動機(jī)去研究石墨烯在石墨烯-銅界面上作為耐腐蝕膜的作用和機(jī)理。”Son教授及其團(tuán)隊使用拉曼光譜儀、掃描電子顯微鏡和白光干涉儀觀察了30天的銅腐蝕現(xiàn)象和趨勢。

首先，研究團(tuán)隊檢測到腐蝕情況在涂層邊緣發(fā)生，并在邊緣、晶界和原子缺位等各種缺陷處發(fā)生了擴(kuò)散，形成了氧化亞銅（Cu2O）。這導(dǎo)致附著在表面的水分子分裂，為氧化過程提供氧，直到整個屏障看上去沒有起到作用，致使銅表面完全腐蝕。由于石墨烯涂層對室溫環(huán)境中水蒸氣的影響，銅基板的受保護(hù)部分比未受保護(hù)的部分反而更易腐蝕。隨著時間的流逝，石墨烯涂層下面形成的Cu2O分散了應(yīng)變，并在石墨烯中引發(fā)了p摻雜，形成了某些雜化結(jié)構(gòu)。在暴露于室溫環(huán)境條件下13天后，研究小組發(fā)現(xiàn)這種腐蝕大大減緩了石墨烯和Cu2O層之間新雜化物的產(chǎn)生。同時，未受保護(hù)的銅繼續(xù)以恒定的速率腐蝕，其腐蝕滲透的深度遠(yuǎn)大于有石墨烯保護(hù)層下腐蝕深度。

這些發(fā)現(xiàn)表明，石墨烯實際上可以保護(hù)銅免受較深的穿透性氧化，這與此前的研究結(jié)論不同。Son教授表示，通過觀察發(fā)現(xiàn)，在更長的時間范圍內(nèi)（超過1年），石墨烯-Cu2O的雜化結(jié)構(gòu)成為了抗氧化保護(hù)層。未涂覆石墨烯的區(qū)域則被氧化銅（CuO）嚴(yán)重氧化，其氧化深度達(dá)到270納米。“

Son教授總結(jié)表示，近十年來，石墨烯的抗腐蝕性能一直存在爭議，許多研究表明，石墨烯會加速銅的氧化（導(dǎo)致其腐蝕）。不過這項研究首次證明了石墨烯-Cu2O與裸銅相比，能夠形成一種雜化混合結(jié)構(gòu)，從長遠(yuǎn)來仍然可以大大減緩了銅的腐蝕氧化。