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石墨烯在金属表面防腐中的应用

Applications of graphene in anti-corrosion of metal surface

郭晓蒙, 青芳竹, 李雪松

物理学报. 2021, 70 (9): 098102

石墨烯作为一种新型材料，自从2004年被 Geim 和 Novoselov 等用胶带对粘的方法获得以来，持续受到科学界和工业界的广泛关注。石墨烯是最薄的二维材料，由碳原子以sp2杂化连接成单层二维蜂窝状晶格，因其自身出色的化学惰性和抗渗透性，致密的石墨烯晶格可以在金属表面形成一层腐蚀防护罩。除此之外，石墨烯的高透光率和良好的柔韧性也可以保留金属的光学外观和表面粗糙度。这些特性使石墨烯材料在一众防腐材料中脱颖而出。在石墨烯逐步实现工业化的进程中，石墨烯的制造成本逐渐降低，这使得石墨烯在防腐领域的应用也成为可能。

理论上，石墨烯薄膜由于其致密的晶格结构，可以有效地阻隔氧、水、盐离子等腐蚀性物质，从而防止金属被腐蚀。大面积石墨烯薄膜主要是通过基于铜基底的化学气相沉积（CVD）法制备，该方法由李雪松及 Ruoff 教授等于2009年发明，目前已广泛应用于科学研究与工业制备领域。Ruoff 课题组在2011年最先报道了CVD法制备的石墨烯薄膜在防腐领域的应用。然而，CVD法制备的石墨烯薄膜由于缺陷的存在，极大地影响其防腐效果。与之相比，将石墨烯微片作为功能性填料加入防腐涂料时，对金属基底的选择和石墨烯薄膜的完整度没有严格的要求，并且成本更低，操作更为简便。

《物理学报》2021年第9期“特邀综述”栏目刊登了电子科技大学青芳竹和李雪松研究组的综述文章“石墨烯在金属表面防腐中的应用”，本文结合最新的研究成果，对石墨烯薄膜及石墨烯粉体在防腐领域中的应用进行了更加全面的讨论。从石墨烯防腐作用机理（主要包括阻隔、屏蔽、缓蚀、加固、阴极保护和自修复）和其相应的涂层制备方法（化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜及石墨烯粉体制备的复合涂料）开始，进而探讨不同影响因素，包括缺陷、导电性、氧化程度、片层大小及含量等对石墨烯防腐效果的影响，最后对各种方法进行综合比较，并对未来的发展进行展望。本文通过对已有工作的回顾，为今后制备防腐性能更加优良的石墨烯材料提供重要的参考。

图1  石墨烯防腐作用机理 (a) 阻隔作用[1]；(b) 屏蔽作用[2]；(c) 缓蚀作用[3]；(d) 加固作用[4]；(e) 阴极保护作用[5]；(f) 自修复作用[6]

参考文献：

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[6]   Xiong L, Liu J, Li Y, Li S, Yu M 2019 Prog. Org. Coat. 135 228