石墨烯长期以来被期望成为终极防腐材料，但其真正的防腐性能仍存在很大争议。具体来说，强电子耦合可以限制腐蚀性分子的界面扩散，同时也可以促进表面电偶腐蚀。
近日，北京大学教授、2021年“科学探索奖”前沿交叉领域获奖人刘开辉与上海科技大学王竹君教授等合作者揭示了铜上双层石墨烯的双面各异掺杂机制，成功实现了对铜箔的超高效防腐——可在200 ℃下保护铜箔1000小时以上，达到了工信部《重点新材料首批次应用示范指导目录》中要求的1000倍，有望拓展铜在高温、高湿等极端环境下的应用前景。
相关研究成果已在线发表于Nature Communications上。
文献网址：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43357-1
如此优异的耐腐蚀性归因于双层石墨烯中重要的Janus掺杂效应，其中重掺杂的底层与铜形成强烈的相互作用以限制界面扩散，而近电荷中性的顶层表现出惰性以减轻电偶腐蚀。
研究人员利用双层石墨烯覆盖，实现了高效（200 ℃下1000小时，室温环境下5年）的铜表面腐蚀保护。并且，研究团队证明，此方法的有效性与铜的晶面、石墨烯的堆叠方式无关，且适用于高温（高至600 ℃）、高湿（80 ℃水中浸泡）等多种环境，极大地扩展了石墨烯原子级防腐涂层的应用前景。
精细的电子能带结构计算与实验表征证明，铜上双层石墨烯具有双面各异的掺杂机制：底层石墨烯与铜具有更多的电荷转移和更强的相互作用，导致腐蚀性分子的界面扩散更加困难；而顶层石墨烯则几乎未被掺杂而接近电中性，有效抑制了表面电化学反应的发生。
该技术有望为铜在氧化环境中的集成化应用开辟道路，可能会扩展铜在各种极端操作条件下的应用场景，也为下一代电子器件和光电器件的微型化提供了新的机遇。
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