В статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, ученые представили потенциостатическое осаждение, используемое для электроосаждения покрытий на основе никеля (Ni) и никель-графена (Ni-G) на медных подложках. Миристиновую кислоту использовали для изменения поверхности электроосажденных покрытий с получением сверхгидрофобности.
Исследование: экологически безопасный способ получения сверхгидрофобного покрытия на основе графена на медной подложке и его характеристики коррозионной стойкости.
При углах смачивания водой 159° и 162° соответственно пленки Ni-G, модифицированные миристиновой кислотой (Ni-G-MA), и пленки Ni, модифицированные миристиновой кислотой (Ni-MA), демонстрировали превосходные показатели сверхгидрофобности. Результаты исследования морфологии поверхности сверхгидрофобных пленок с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) показали, что покрытия Ni-G-MA и Ni-MA имеют микро-наноструктуры.
Результаты анализа с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье показали, что прививка Ni-G-MA и NiMA на металлическую медь была успешной. По сравнению с Ni-MA покрытие Ni-G-MA было более стойким к механическому истиранию и обладало более высокой химической стабильностью.
Покрытия Ni-G-MA и Ni-MA продемонстрировали долговременную стойкость в течение примерно четырех месяцев на открытом воздухе. Кроме того, результаты электрохимической импедансной спектроскопии и потенциодинамической поляризации показали, что сверхгидрофобные покрытия на медной подложке обладают исключительной коррозионной стойкостью в 0,5 молярном растворе хлорида натрия (NaCl).
РЭМ-изображения меди с привитым (а) Ni-MA и (б) Ni-G-MA. Источник фото: Рагеб, Д. М. и соавт., журнал Scientific Reports
Понимание структуры сверхгидрофобных покрытий
Сверхгидрофобные поверхности имеют небольшой угол скольжения (менее 10°) и большой угол смачивания (более 150°). Лотос, рисовые листья и розы — вот несколько примеров природных явлений, на которых основана концепция синтеза сверхгидрофобных поверхностей. Сверхгидрофобные поверхности в последнее время привлекают огромное внимание в научных исследованиях и потенциальных коммерческих применениях благодаря их способности к снижению сопротивления и самоочистке, а также коррозионной стойкости и разделению воды и масла.
Для сверхгидрофобной поверхности требуется два компонента, включая изменение химического состава поверхности с покрытием с низкой свободной энергией и шероховатую текстуру поверхности со специфической бинарной структурой. Было предложено несколько методов создания таких поверхностей путем изменения химического состава и морфологии поверхности. Эти методы включают золь-гель, химическое осаждение из паровой фазы, электроосаждение, химическое травление и распыление. Однако большинство из них имеют ограничения из-за необходимости использования специализированного оборудования или сложного управления технологическим процессом.
Получение сверхгидрофобных покрытий на металлах, проводящих полимерах и оксидах металлов проще осуществить с помощью электроосаждения. Благодаря таким преимуществам, как простота управления, масштабируемость, низкая стоимость и долговечность сверхгидрофобного покрытия, электроосаждение стало конкурентоспособным способом получения этих поверхностей.
Целью данного исследования было получение покрытий на основе Ni и Ni, легированного графеном, на медной подложке методом электроосаждения. Затем эти покрытия были изменены с помощью миристиновой кислоты, химического вещества с незначительным воздействием на окружающую среду, в результате чего были получены сверхгидрофобные поверхности. Химический состав и топографию поверхности синтезированных сверхгидрофобных поверхностей исследовали с помощью растрового электронного микроскопа и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Были оценены смачиваемость, атмосферостойкость, механическая и химическая стойкость, а также коррозионная стойкость полученных покрытий. Коррозионные свойства исследовали в водной среде с 0,5 молярным NaCl.
Экспериментальная часть
В качестве рабочего электрода использовали медную пластину размером 2 х 1 х 0,3 см. Для исследования авторы использовали аналитический гексагидрат хлорида никеля, гидроксид натрия, серную кислоту, сульфат никеля, безводный этанол, борную кислоту и миристиновую кислоту.
Перед электроосаждением медную подложку полировали наждачной бумагой из карбида кремния (SiC) различной зернистости, начиная со 150 и заканчивая мелкозернистой 800. Затем медную подложку погружали в мыльный раствор на 10 минут, затем в 0,5 молярную серную кислоту (H2SO4) на одну минуту. Затем ее очищали дистиллированной водой перед помещением в ванну электроосаждения.
Анализ с помощью растрового электронного микроскопа использовали для исследования рельефа поверхности электроосажденного покрытия. Химический состав полученного сверхгидрофобного покрытия исследовали с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Спектры были записаны в диапазоне от 400 до 4000 на сантиметр.
Для анализа механических свойств покрытий проводили испытания методом царапания, испытания на прочность и отслаивание. Данное покрытие наносили на наждачную бумагу SiC зернистостью 1200, которая служила абразивной поверхностью, для проведения испытания на царапание.
Испытания на химическую стойкость проводили, чтобы подтвердить, что полученные сверхгидрофобные покрытия можно использовать в промышленности. В течение одного часа несколько образцов погружали в водные растворы с рН от 1 до 13. Затем при каждом значении рН рассчитывали угол смачивания и угол скольжения. Образец из меди с покрытием Ni-G-MA показал более высокую химическую стабильность, чем несколько полученных ранее значений.
Методом потенциодинамической поляризации исследовали коррозионную стойкость меди без покрытия и меди с покрытиями Ni, Ni-MA, Ni-G и Ni-G-MA. Здесь результаты показали, что медь с покрытием Ni-G-MA обладает более высокой коррозионной стойкостью. Таким образом, образец меди с покрытием Ni-G-MA обладал наилучшей эффективностью защиты, чем Ni-MA.
Выводы и значимость исследования
В данном исследовании авторы эффективно привили сверхгидрофобные пленки Ni-G-MA и Ni-MA на медную подложку. Кроме того, механическая прочность и стабильность полученных сверхгидрофобных покрытий оценивались с помощью механического истирания, абразивного испытания и испытания на отслаивание. Было продемонстрировано, что покрытие Ni-G-MA обладает более высокой механической стойкостью по сравнению с Ni-MA. Кроме того, согласно оценке, покрытия Ni-G-MA обладали более высокой химической стойкостью, чем Ni-MA, в щелочной и кислой среде.
Myristic acid — Миристиновая кислота
Copper substrate — Медная подложка
Ni or Ni-G deposit — Покрытие Ni или Ni-G
Air pocket — Воздушное включение
Схематическое изображение предлагаемого механизма защиты от коррозии полученных сверхгидрофобных покрытий. Источник фото: Рагеб, Д. М. и соавт., журнал Scientific Reports
Полученные результаты показали, что добавление графена улучшило механическую и химическую стойкость сверхгидрофобного покрытия. Кроме того, коррозионная стойкость меди без покрытия и меди со сверхгидрофобным покрытием была изучена с помощью методов электрохимической импедансной спектроскопии и потенциодинамической поляризации. Наконец, полученные результаты показали, что сверхгидрофобное покрытие на поверхности меди предотвращает проникновение агрессивных веществ к поверхности меди и блокирует активные очаги коррозии.
Таким образом, медь со сверхгидрофобным покрытием обладает высокой коррозионной стойкостью, особенно если покрытие легировано графеном. Коррозионную стойкость изготовленных сверхгидрофобных покрытий оценивали методом электрохимической импедансной спектроскопии. Полученные результаты показали, что данные покрытия демонстрируют превосходную долговечность в 0,5 молярном растворе NaCl.
Список использованных источников
- Рагеб, Д. М., Абдель-Габер, А. М., Махгуб, Ф. М., Мохаммед, М. Е. (2022). Экологически безопасный способ получения сверхгидрофобного покрытия на основе графена на медной подложке и его характеристики коррозионной стойкости. Журнал Scientific Reports. https://www.nature.com/articles/s41598-022-22915-5
Притам Рой — автор научных публикаций из Гувахати, Индия. Получил степень бакалавра в области электротехники в инженерном колледже Ассама, Гувахати, и степень магистра в области электротехники и электроники в Индийском технологическом институте Гувахати со специализацией в области радиочастотной связи и фотоники. Магистерский исследовательский проект Притама был посвящен беспроводной передаче энергии и включал моделирование и изготовление радиочастотных выпрямителей для беспроводной передачи энергии.