在电化学条件下,铜表面发生可控溶解,释放出的铜离子与有机分子1,4-苯二硫醇(BDT)在界面原位发生配位反应,自发生长形成一层致密的纳米级保护膜。结构分析表明,该钝化膜具有独特的双层结构:外层为约5.2 nm厚的Cu–BDT配位聚合物层,内层为约1.8 nm厚的Cu2S过渡层,二者协同构成厚度约7 nm的纳米复合防护体系。该结构在成分与密度上呈现梯度分布,有效提升了界面稳定性并抑制了缺陷产生。
该钝化膜在几乎不影响铜基底导电性能的同时,展现出卓越的抗腐蚀能力。在3.5% NaCl溶液中,它可使铜的腐蚀电流密度降低超过三个数量级,腐蚀速率下降约1000倍。在酸性(H₂SO₄)和碱性(NaOH)环境中,防护效率分别提升约130倍和1280倍,表现出优异的环境适应性。
机理研究表明,Cu–BDT配位结构中的强Cu–S键赋予了体系优异的化学稳定性与疏水特性,而中间的Cu2S层则作为缓冲界面,有效增强了薄膜与基底之间的结合。第一性原理计算进一步揭示,该钝化层可显著提高腐蚀性物种(如O2和Cl-)在铜表面的吸附能垒,从而在原子尺度上抑制腐蚀反应的发生。
此外,研究团队还将该方法拓展至卷对卷连续加工体系,成功实现了大面积铜箔的稳定处理,证明该策略具有良好的规模化应用潜力。
本研究提出的“电化学诱导配位聚合”策略,为在分子尺度上构建金属防护层提供了全新思路,也为高可靠性电子器件、能源系统,以及面向人工智能时代的极端环境中金属材料的长期稳定运行,提供了重要的技术支撑。
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