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科学研究
科研成果
江颖和合作者在铜防腐蚀研究方向的新进展
发布日期:2020-10-14浏览次数:

铜表面防腐蚀是人们日常生活和工业界普遍关心的问题,但防腐处理的常规方法不可避免会降低铜的导电性和导热性。最近,信游平台量子材料科学中心江颖与厦门大学化学化工学院郑南峰、傅钢团队合作,利用甲酸钠溶液对铜进行热处理,实现了工业铜箔和铜纳米材料的高效防腐。研究人员利用高分辨扫描探针显微镜解析了表面防腐层的原子结构,发现了一种由甲酸根诱导的超薄配位钝化层,可以在抗氧化的同时保持铜良好的导电性和导热性。该工作以“Surface Coordination Layer Passivates Oxidation of Copper”为题,于10月14日发表在国际顶级学术期刊《自然》上。

江颖课题组长期从事水/固界面的原子尺度研究,并基于扫描探针显微镜发展了一系列的高分辨成像和谱学工具,在水的微观结构和动力学研究方面屡获突破(Nature 557, 701 (2018),Science 352, 321 (2016))。近年来,江颖课题组开始尝试将这些技术应用于解决真实固/液界面的跨领域问题,并在表面防腐蚀、表面防结冰、电化学水解制氢等方向上取得了一系列进展(Nature 577, 60 (2020),Nature Communications 10, 1348 (2019),Adv. Mater. 30, 1702944 (2018))。

图:a和b,甲酸钠溶液处理后的多晶铜表面的扫描隧道显微镜图像;c和d,高分辨原子力显微镜图像和理论模拟图像;e,表面防腐蚀层的原子模型。

在这个工作中,郑南峰团队发现利用甲酸钠溶液对多晶铜进行简单的热处理,可以得到优异的防腐效果,同时不影响铜的导电性和导热性。为了理解防腐蚀的微观机理,江颖课题组发展了一种制备“超净”固/液界面的方法,有效避免了大气环境的干扰,并在超高真空中模拟甲酸钠溶液对铜表面的热处理,再利用非接触式原子力显微镜技术对表面防腐蚀层进行高分辨成像(图)。结合第一性原理计算和谱学实验,他们发现,经甲酸钠溶液热处理后的多晶铜表面,会诱导出大面积的Cu(110)晶面,甲酸根在此晶面上通过配位吸附形成了一种Cu(110)-c(6×2)致密重构层。有趣的是,该超薄钝化层暴露在大气后仍然可以稳定存在。此外,这种基于甲酸盐的表面钝化处理方法还可推广到不同形式的铜材料和室温条件。

信游平台量子材料科学中心博士生汪知昌(现为厦门大学博士后)、厦门大学化学化工学院博士后彭健和博士生陈碧丽为文章的共同第一作者,北京大学江颖教授与厦门大学郑南峰教授、傅钢教授为文章的共同通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市科委和量子物质科学协同创新中心的经费支持。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2783-x