铜基板上耐腐蚀的超疏水石墨烯基涂层

在《Scientific Reports》杂志上发表的一篇文章中，研究人员介绍了用于在铜基板上电沉积镍（Ni）和镍-石墨烯（Ni-G）薄膜的恒电位沉积。肉豆蔻酸（MA）用于改变电沉积涂层的平面以产生超疏水性（SHP）。

研究：Eco-friendly method for construction of superhydrophobic graphene-based coating on copper substrate and its corrosion resistance performance .图片来源：BONNINSTUDIO/Shutterstock.com

在水接触角分别为159°和162°时，用MA（Ni-G-MA）改变的Ni-G薄膜和用MA改变的镍薄膜（Ni-MA）表现出优异的SHP质量。当用扫描电子显微镜（SEM）检查SHP薄膜的表面形貌时， 结果表明， Ni-G-MA和Ni-MA薄膜具有微纳结构.

傅里叶变换红外分光光度计（FTIR）的结果表明，Ni-G-MA和Ni-MA薄膜接枝到铜金属上是成功的。与Ni-MA相比，Ni-G-MA薄膜更耐机械磨损，化学稳定性更高。

Ni-G-MA和Ni-MA薄膜在户外约四个月表现出长期耐用性。此外，电化学阻抗谱和动电位极化结果表明， 铜衬底上的SHP膜在0.5摩尔氯化钠（NaCl）中具有优异的耐腐蚀性.

由（a）镍-MA和（b）镍-G-MA接枝的铜的SEM图像。图片来源：Ragheb，D. M等人，Scientific Reports

了解超疏水薄膜的构成

SHP 表面的轻微滑动角 （SA） 小于 10°，高接触角 （CA） 大于 150°。莲花、稻叶和玫瑰是SHP表面合成概念所基于的自然发生的几个例子。SHP表面最近在学术研究和潜在的商业应用中引起了极大的关注，因为它们在减阻，自清洁能力，耐腐蚀性以及水油分离方面的适用性。

超疏水表面需要两个组件，包括具有低自由能覆盖的表面化学改变和具有特定二元结构的粗糙表面纹理。已经提出了几种通过修改化学成分和表面形态来创建仿生SHP表面的方法。这些技术包括溶胶-凝胶、化学气相沉积、电沉积、化学蚀刻和喷雾。然而，由于需要专用机械或具有挑战性的过程控制，这些方法中的大多数都有局限性。

使用电沉积在金属、导电聚合物和金属氧化物上生产 SHP 涂层更简单。由于其易于控制、可扩展性、低成本、简单性和生产耐用的SHP涂层等优点，电沉积已成为产生超疏水表面的竞争方式。

本研究旨在使用电沉积方法在铜基板上生产Ni和石墨烯掺杂的Ni薄膜。然后用MA（一种对环境的影响可以忽略不计的化学物质）改变这些薄膜，产生SHP表面。利用扫描电镜和傅里叶变换红外光谱研究了合成SHP表面的化学组成和表面形貌。评估了所制造的SHP薄膜的润湿性、耐候性、机械和化学稳定性以及耐腐蚀性。在0.5摩尔NaCl的水性介质中检查腐蚀性能。

（a）裸铜和涂层铜的润湿性显微照片，由（b）镍，（c）镍-G，（d）镍-MA和（e）镍-G-MA。图片来源：Ragheb，D. M等人，Scientific Reports

实验装置

使用2厘米乘1厘米乘0.3厘米的铜板作为工作电极。作者使用分析级六水合氯化镍、氢氧化钠、硫酸、硫酸镍、无水乙醇、硼酸和MA进行研究。

在电沉积之前，用各种等级的碳化硅（SiC）纸对铜基板进行抛光，从150级的筛子开始，一直工作到800级。然后将铜基底浸入肥皂溶液中10分钟，然后加入0.5摩尔硫酸（H₂所以₄） 一分钟。最后，在进入电沉积浴之前，用蒸馏水清洁铜基板。

采用SEM分析法研究电沉积涂层的表面形貌。利用FTIR，检查了制造的SHP涂层的化学成分。光谱记录在每厘米400至4000之间。

划痕、砂冲击试验和胶带剥离用于分析制造的SHP薄膜的机械性能。将该SHP薄膜应用于作为磨损表面的1200级SiC纸上进行划痕测试。

进行了化学稳定性测试，以验证所创建的SHP薄膜可用于工业应用。接枝到SHP薄膜上的几个铜样品浸没在pH范围为1至13的水溶液中一小时。在每个pH值下，然后计算CA和SA。Ni-G-MA SHP 涂层铜表现出比先前观察到的几个值更高的化学稳定性。

动电位极化法研究了未包覆铜和涂有Ni、Ni-MA、Ni-G和Ni-G-MA的铜的耐腐蚀性能。在这里，研究结果表明，覆盖有Ni-G-MA薄膜的铜具有更高的耐腐蚀性。因此，所制备的覆盖镍镰镰的铜比镍镰镰具有更好的保护效果。

研究结果和意义

在这项研究中，作者有效地将Ni-G-MA和Ni-MA超疏水薄膜接枝到铜基板上。此外，还通过机械磨损、砂冲击试验和胶带剥离评估了所生产的超疏水薄膜的机械强度和稳定性。3种方法表明，与Ni-MA相比，Ni-G-MA涂层具有更优异的机械稳定性。此外，根据所制造的超疏水薄膜的化学稳定性评估，Ni-G-MA薄膜在碱性和酸性条件下比Ni-MA具有更高的化学稳定性。

所制备的SHP薄膜腐蚀保护机制的示意图。图片来源：Ragheb，D. M等人，Scientific Reports

结果表明，添加石墨烯提高了所得超疏水涂层的机械和化学稳定性。此外，采用电化学阻抗谱（EIS）技术和动电位极化技术研究了裸铜和超疏水材料涂层铜的耐腐蚀性能。最后，结果表明，铜表面的SHP涂层阻止了腐蚀物质扩散到铜表面并阻塞了活性腐蚀位点。

因此，超疏水涂层铜具有很强的耐腐蚀性，特别是当超疏水涂层掺杂石墨烯时。使用EIS方法，评估了超疏水涂层的持续耐腐蚀性。结果表明， 所制备的超疏水涂层在0.5 molar NaCl溶液中表现出优异的耐久性.

参考

拉吉布，D.M.，阿卜杜勒-加贝尔，A.M.，马古布，F.M.，穆罕默德，M.E.（2022）。在铜基体上构建超疏水石墨烯基涂层的环保方法及其耐腐蚀性能.科学报告。https://www.nature.com/articles/s41598-022-22915-5