量子中心江颖课题组和合作者在《自然》发表铜防腐蚀研究方向新进展

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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，北京大学物理学院量子材料科学中心江颖教授课题组与厦门大学化学化工学院郑南峰教授、傅钢教授团队合作，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)）。
        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（如图）。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。

多晶铜表面

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

        北京大学物理学院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，江颖与郑南峰、傅钢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。


       文章来源：北京大学
       江颖，1982年7月出生于四川乐山，北京大学教授。2003年获北京师范大学物理系学士学位，2008年获中科院物理研究所博士学位，2006-2007年为德国尤里希研究中心访问学者，2008-2010年在美国加州大学欧文分校从事博士后研究。2010年1月任北京大学量子材料科学中心助理教授， 2016年2月晋升长聘副教授，2018年2月晋升长聘教授。
         郑南峰，1977年生。厦门大学教授、博导，能源材料化学协同创新中心副主任。1998年本科毕业于厦门大学，2005年在加州大学河滨分校获化学博士学位。2005-2007年在加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究。2007年被聘为厦门大学特聘教授，2009年获国家杰青资助，2010年获聘 “长江学者”特聘教授。主要从事纳米表界面化学方面的研究，已在Science (3篇)、 Nature、 Nature Mater. (2篇)、 Nature Nanotech (2篇)、 Nature Commun. (8篇)、Sci. Adv.、 J. Am. Chem. Soc. (34篇)、 Angew. Chem. (12篇)、Adv. Mater. (5篇)等国际刊物上发表论文140余篇，被引12000余次，h-指数63。获美国化学会无机杰出青年科学家奖、中国化学会青年化学奖、日本东京大学Zasshi-kai讲席奖、中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖、教育部青年科学奖等奖项。先后入选中组部青年拔尖人才、科技部中青年科技创新领军人才、国家百千万入选国家百千万人才工程, 并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号。2016年，获中国青年科技奖，并入选“中国优秀青年科技人才”（全国十名）。
       傅钢，厦门大学教授。1997年本科毕业于厦门大学；2004年在厦门大学获得理学博士学位，导师为万惠霖院士和徐昕教授。2004年留校任教，2008年晋升为副教授，2016年晋升为教授。2011-2012年作为访问教授前往法国里昂高等师范学院与Philippe Sautet教授进行合作交流。目前主要的研究领域是纳米表界面催化的理论研究，先后在Science，Nature Mater.，Nature Comm., Chem，J Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed等刊物上发表论文50余篇，并作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目4项。