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銅是一種具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和延展性的重要有色金屬，已被廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中。與鋁和鎳等金屬不同，銅表面無(wú)法形成致密、穩(wěn)定的鈍化層，致使銅表面會(huì)被持續(xù)氧化腐蝕。歷史上，銅的大規(guī)模使用得益于其抗氧化腐蝕技術(shù)（如黃銅、青銅等冶煉技術(shù)）的發(fā)展。雖然銅合金具有良好的減緩氧化能力，但其導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能往往被大打折扣。如何開發(fā)既有強(qiáng)抗氧化能力又能保持銅優(yōu)越導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的表面涂層技術(shù)，一直是銅抗氧化防腐領(lǐng)域備受關(guān)注和亟待解決的挑戰(zhàn)性難題。該領(lǐng)域近年的一個(gè)重要進(jìn)展是在銅表面修飾石墨烯或氮化硼，但這類方法往往涉及復(fù)雜的高溫處理工藝，導(dǎo)致難以大規(guī)模應(yīng)用。在前期意外發(fā)現(xiàn)以甲酸鈉為還原劑所制備的銅超薄納米片具有超強(qiáng)抗氧化能力的基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于甲酸根表面配位保護(hù)的全新銅抗氧化防腐方法。該方法可應(yīng)用于不同形態(tài)、不同尺度的銅材料防腐，具有普適性。

為了揭示甲酸根鈍化銅材料的內(nèi)在機(jī)制，該合作團(tuán)隊(duì)將研究轉(zhuǎn)移到了相對(duì)容易表征的銅箔體系。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)甲酸鈉溶液水熱處理的銅箔同樣在強(qiáng)堿性、鹽霧等苛刻條件下?lián)碛袃?yōu)越的抗氧化防腐能力。通過(guò)原子分辨的掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）進(jìn)行表征，成功地解析出了甲酸根在銅表面的配位結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)水熱處理的銅箔表面重構(gòu)為具有c(6×2)超結(jié)構(gòu)的Cu(110)表面，該表面由甲酸銅二聚體[Cu(m-HCOO)(OH)₂]₂單元和O^2-共同保護(hù)、鈍化。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算揭示了該表面配位鈍化層的抗氧化防腐能力主要源于其能有效地阻止O₂、Cl^-等氧化/腐蝕物種與內(nèi)部金屬銅的作用。更為重要的是，在深入理解分子機(jī)制的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入烷基硫醇配體進(jìn)一步鈍化甲酸根配位層未能很好保護(hù)的臺(tái)階或缺陷位點(diǎn)，使銅表面的整體抗氧化性能提升3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)研究為實(shí)際應(yīng)用開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使得所發(fā)展銅抗氧化防腐技術(shù)可以適用于制備銅箔、銅線、銅納米材料，并可應(yīng)用于透明導(dǎo)電電極、可印刷導(dǎo)電漿料等領(lǐng)域。

該研究工作在鄭南峰教授的帶領(lǐng)下，由鄭南峰教授、傅鋼教授和北京大學(xué)江穎教授共同指導(dǎo)完成，防腐技術(shù)實(shí)驗(yàn)部分主要由博士后彭健完成，理論計(jì)算部分由博士生陳碧麗完成，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡表征由博士后汪知昌和北京師范大學(xué)郭靜教授等共同完成，球差電鏡由中科院物理所谷林老師與張慶華博士完成，X-射線光電子能譜由上海科技大學(xué)劉志教授與周琴博士完成。鄭蘭蓀教授、吳炳輝副教授、林昌健教授以及其所指導(dǎo)的多位研究生也參與了工作的部分研究與結(jié)果分析討論。本研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、騰訊基金首屆“科學(xué)探索獎(jiǎng)”的資助和支持。

參考資料：

【1】Surface coordination layer passivates oxidation of copper，Jian Peng, Bili Chen, Zhichang Wang, Jing Guo, Binghui Wu, Shuqiang Hao, Qinghua Zhang, Lin Gu, Qin Zhou, Zhi Liu, Shuqin Hong, Sifan You, Ang Fu, Zaifa Shi, Hao Xie, Duanyun Cao, Chang-Jian Lin, Gang Fu, Lan-Sun Zheng, Ying Jiang & Nanfeng Zheng ， https://www.nature.com/articles/s41586-020-2783-x

【2】廈門大學(xué)：https://chem.xmu.edu.cn/info/1274/9517.htm