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科學研究
科研成果
江穎和合作者在銅防腐蝕研究方向的新進展
發布日期:2020-10-14瀏覽次數:

銅表面防腐蝕是人們日常生活和工業界普遍關心的問題,但防腐處理的常規方法不可避免會降低銅的導電性和導熱性。最近,北京大學物理學院量子材料科學中心江穎與廈門大學化學化工學院鄭南峰、傅鋼團隊合作,利用甲酸鈉溶液對銅進行熱處理,實現了工業銅箔和銅納米材料的高效防腐。研究人員利用高分辨掃描探針顯微鏡解析了表面防腐層的原子結構,發現了一種由甲酸根誘導的超薄配位鈍化層,可以在抗氧化的同時保持銅良好的導電性和導熱性。該工作以“Surface Coordination Layer Passivates Oxidation of Copper”為題,于10月14日發表在國際頂級學術期刊《自然》上。

江穎課題組長期從事水/固界面的原子尺度研究,并基于掃描探針顯微鏡發展了一系列的高分辨成像和譜學工具,在水的微觀結構和動力學研究方面屢獲突破(Nature 557, 701 (2018),Science 352, 321 (2016))。近年來,江穎課題組開始嘗試將這些技術應用于解決真實固/液界面的跨領域問題,并在表面防腐蝕、表面防結冰、電化學水解制氫等方向上取得了一系列進展(Nature 577, 60 (2020),Nature Communications 10, 1348 (2019),Adv. Mater. 30, 1702944 (2018))。

圖:a和b,甲酸鈉溶液處理后的多晶銅表面的掃描隧道顯微鏡圖像;c和d,高分辨原子力顯微鏡圖像和理論模擬圖像;e,表面防腐蝕層的原子模型。

在這個工作中,鄭南峰團隊發現利用甲酸鈉溶液對多晶銅進行簡單的熱處理,可以得到優異的防腐效果,同時不影響銅的導電性和導熱性。為了理解防腐蝕的微觀機理,江穎課題組發展了一種制備“超凈”固/液界面的方法,有效避免了大氣環境的干擾,并在超高真空中模擬甲酸鈉溶液對銅表面的熱處理,再利用非接觸式原子力顯微鏡技術對表面防腐蝕層進行高分辨成像(圖)。結合第一性原理計算和譜學實驗,他們發現,經甲酸鈉溶液熱處理后的多晶銅表面,會誘導出大面積的Cu(110)晶面,甲酸根在此晶面上通過配位吸附形成了一種Cu(110)-c(6×2)致密重構層。有趣的是,該超薄鈍化層暴露在大氣后仍然可以穩定存在。此外,這種基于甲酸鹽的表面鈍化處理方法還可推廣到不同形式的銅材料和室溫條件。

北京大學物理學院量子材料科學中心博士生汪知昌(現為廈門大學博士后)、廈門大學化學化工學院博士后彭健和博士生陳碧麗為文章的共同第一作者,北京大學江穎教授與廈門大學鄭南峰教授、傅鋼教授為文章的共同通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京市科委和量子物質科學協同創新中心的經費支持。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2783-x

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