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石墨烯在金屬表面防腐中的應用

Applications of graphene in anti-corrosion of metal surface

郭曉蒙, 青芳竹, 李雪松

物理學報. 2021, 70 (9): 098102

石墨烯作為一種新型材料，自從2004年被 Geim 和 Novoselov 等用膠帶對粘的方法獲得以來，持續受到科學界和工業界的廣泛關注。石墨烯是最薄的二維材料，由碳原子以sp2雜化連接成單層二維蜂窩狀晶格，因其自身出色的化學惰性和抗滲透性，致密的石墨烯晶格可以在金屬表面形成一層腐蝕防護罩。除此之外，石墨烯的高透光率和良好的柔韌性也可以保留金屬的光學外觀和表面粗糙度。這些特性使石墨烯材料在一眾防腐材料中脫穎而出。在石墨烯逐步實現工業化的進程中，石墨烯的制造成本逐漸降低，這使得石墨烯在防腐領域的應用也成為可能。

理論上，石墨烯薄膜由于其致密的晶格結構，可以有效地阻隔氧、水、鹽離子等腐蝕性物質，從而防止金屬被腐蝕。大面積石墨烯薄膜主要是通過基于銅基底的化學氣相沉積（CVD）法制備，該方法由李雪松及 Ruoff 教授等于2009年發明，目前已廣泛應用于科學研究與工業制備領域。Ruoff 課題組在2011年最先報道了CVD法制備的石墨烯薄膜在防腐領域的應用。然而，CVD法制備的石墨烯薄膜由于缺陷的存在，極大地影響其防腐效果。與之相比，將石墨烯微片作為功能性填料加入防腐涂料時，對金屬基底的選擇和石墨烯薄膜的完整度沒有嚴格的要求，并且成本更低，操作更為簡便。

《物理學報》2021年第9期“特邀綜述”欄目刊登了電子科技大學青芳竹和李雪松研究組的綜述文章“石墨烯在金屬表面防腐中的應用”，本文結合最新的研究成果，對石墨烯薄膜及石墨烯粉體在防腐領域中的應用進行了更加全面的討論。從石墨烯防腐作用機理（主要包括阻隔、屏蔽、緩蝕、加固、陰極保護和自修復）和其相應的涂層制備方法（化學氣相沉積法制備的石墨烯薄膜及石墨烯粉體制備的復合涂料）開始，進而探討不同影響因素，包括缺陷、導電性、氧化程度、片層大小及含量等對石墨烯防腐效果的影響，最后對各種方法進行綜合比較，并對未來的發展進行展望。本文通過對已有工作的回顧，為今后制備防腐性能更加優良的石墨烯材料提供重要的參考。

圖1  石墨烯防腐作用機理 (a) 阻隔作用[1]；(b) 屏蔽作用[2]；(c) 緩蝕作用[3]；(d) 加固作用[4]；(e) 陰極保護作用[5]；(f) 自修復作用[6]

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