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一種潛在的二維防腐涂層——單層硼

2017-03-02 11:28:37 作者：cynthia 來源：腐蝕與防護分享至：

目前，一個由科學家和工程師組成的跨學科研究組已經(jīng)成功地合成了單層狀的六角氮化硼（hBN），該材料展現(xiàn)出了優(yōu)秀的耐蝕性，因此未來有望被作為原子級薄的、防腐涂層材料。

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氮化硼有多種結(jié)構(gòu)形式，其中六角氮化硼是sp2雜交二維片狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)類似于石墨烯，為凱庫勒型硼和氮原子交替共價鍵結(jié)合結(jié)構(gòu)（六角形排列）。

六角氮化硼是一種高頻帶、高熱穩(wěn)定性、高化學穩(wěn)定性和有應用價值的材料，常用作碳類（如石墨烯）等高導材料周圍的介質(zhì)（絕緣）材料。它可以承受高達3000°C的溫度，而后才融化。

研究發(fā)現(xiàn)六角氮化硼不能透過氧氣和水，甚至是在高溫和純氧氛圍。不僅如此，六角氮化硼作為涂層材料可以增加開路電位以及抑制涂有該涂層的銅材料的氧化。

事實上，二維材料用于材料的保護屏障并不止這一個例子。如我們大家最喜歡的單層石墨烯，它就常被用于電化學中防水和防腐蝕。然而，石墨烯在本質(zhì)上可以說是一種準金屬，所以長期使用的話它的保護性是有限的。而六角氮化硼就不同了，它具有抑制電子轉(zhuǎn)移的絕緣特性，而電子轉(zhuǎn)移是發(fā)生腐蝕的基礎(chǔ)，因此限制了電子轉(zhuǎn)移的同時腐蝕就難以發(fā)生了，故六角氮化硼是有望用于材料的長期保護的。

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到2015年，氮化硼和碳化硼的市場需求量越來越多，達到了1.08億噸

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類似于石墨烯，氮化硼層是在較低的壓力、高溫下，由化學氣相沉積（CVD）合成。實際上，單層膜的厚度是均一的，最大厚度只有0.45 nm，因此這種材料可以形成一個原子級薄的涂層。

研究人員通過循環(huán)伏安法掃描發(fā)現(xiàn)，陰極和陽極電流都無法穿透該涂層，電流被削弱了近三個數(shù)量級。

六角氮化硼作為涂層應用，也存在一些潛在的限制。許多涂料由于其層與層之間存在很強的相互作用可以多次應用，而這對hBN是不可能實現(xiàn)的。hBN材料中，同一層的分子內(nèi)作用力是非常強大的，但層與層之間只存在非常弱的分子間作用力，如范德華力和誘導偶極力。

作為大家的共識，多層hBN可以作為幻燈片的潤滑劑——類似于石墨烯和石墨的作用。在液態(tài)狀態(tài)下的涂層不能對金屬提供足夠的保護，因為水分子可以直接滲透到金屬層之上。這就使得多層保護失去了意義，同時會導致涂層上水的積累，最終產(chǎn)生水分子的滲透。

此外，hBN單層涂層化學性很強，可以很容易地防止氧氣和水分。單層就像一件外套一樣，有效地充當了保護的角色。

相較之裸銅，表面涂有一層hBN的銅的腐蝕量非常低，相差可達一個數(shù)量級。經(jīng)測試，這比我們之前的石墨烯和其他防腐涂層都有效。

但與此同時，hBN要想作為商業(yè)用的原子級薄、防腐涂料還需要做很多工作。這個新奇的發(fā)現(xiàn)還處于起步階段，對于它的原子級薄、可防止銅（和潛在的其他金屬）腐蝕的特性，其長期的、巨大的潛力還有待于我們進一步挖掘。

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