铝作为活泼金属，却不怕氧化，这是中学化学经常考到的知识点。原来，铝会迅速形成一个致密、稳定的氧化铝层，隔绝空气，阻止铝进一步被氧化。与铝不同，铜表面无法形成这样的“防护服”，而是会被持续腐蚀。
近日，厦门大学化学化工学院教授郑南峰、傅钢团队与北京大学教授江颖课题组密切合作，提出了一种铜材料表面配位防腐技术，就给铜穿上了一件独特的“防护服”，可以有效实现从铜箔到铜纳米线、铜纳米颗粒等各种尺度的铜材料抗氧化。
相关论文于10月14日发表在世界顶尖学术期刊《自然》(Nature)杂志上，题为《表面配位层钝化铜的氧化》(Surface Coordination Layer Passivates Oxidation of Copper)。
众所周知，铜具有优良的导热性、导电性和延展性，已被广泛应用于日常生活和工业生产中。历史上，铜的大规模使用得益于青铜等冶炼技术的发展。青铜，本质上是在纯铜(紫铜)中加入锡或铅的合金。氧化是被缓解了，但铜变成铜合金后，导热和导电性能往往就大打折扣。
能否给铜也穿上人工“防护服”，既能对抗氧化，又能保持铜优越导电、导热性能呢？近年来，一些科学家试图在铜表面修饰有机分子或无机材料(如石墨烯、氮化硼)。但这类表面涂层方法往往涉及复杂的高温处理工艺，难以大规模应用。
2017年，郑南峰、傅钢团队曾在《科学-进展》(Science Advances)报告了一种制备稳定超薄二维铜基纳米材料的有效方法。
正因为金属铜表面很容易被空气氧化，制备原子级厚度的二维铜纳米片的难度可想而知。郑南峰课题组将铜离子沉积于预先形成的超薄氢氧化镍纳米片上，在溶液中存在大量甲酸根的条件下，形成表面富含铜离子并配位有甲酸根的氢氧化物纳米片。在后续加热过程中，表面配位的甲酸根将表面铜离子逐步还原为氧化亚铜直至金属铜，最终得到可在空气中稳定数月的铜-氢氧化镍复合纳米片。
这中间起到关键保护作用的就是甲酸根。在热力学上，甲酸根较金属铜更易被氧化，但空气氧化甲酸根的动力学却很慢，甲酸根的表面配位作用无形中就保护了铜不被空气氧化。
研究团队敏锐地发现了这种思路具有普适性的应用潜力。这次的《自然》成果就是后续。
知其然，不可不知其所以然。为了揭示甲酸根钝化铜材料的内在机制，该合作团队将研究转移到了更容易表征的铜箔体系。研究发现，经甲酸钠溶液水热处理的铜箔同样在强碱性、盐雾等苛刻条件下拥有优越的抗氧化防腐能力。通过原子分辨的扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)进行表征，成功地解析出了甲酸根在铜表面的配位结构，发现经水热处理的铜箔表面重构为独特的Cu(110)结构，该表面由甲酸铜二聚体和O2-共同保护、钝化，能有效地阻止氧气、氯离子等氧化/腐蚀物种与内部金属铜的作用。
扫描隧道显微镜下经甲酸根处理的铜箔
在深入理解分子机制的基础上，该团队在钝化甲酸根配位层中引入了烷基硫醇配体，进一步钝化未能很好保护的台阶或缺陷位点，使铜表面的整体抗氧化性能提升3个数量级以上。
经过处理(左)和未经处理(右)的铜纳米线在48小时、80氧化后的扫描电子显微镜图像
研究认为，该铜抗氧化防腐技术可以适用于制备铜箔、铜线、铜纳米材料，并可应用于透明导电电极、可印刷导电浆料等领域。
