Grafeeniga korrosiooni vastu - maailma kõige õhem kaitsekate?

Üheks põnevamaks kaasaegseks materjaliks on kahedimensiooniline grafeen, mis koosneb vaid ühest, meekärje taolises võrgustikus olevast süsiniku aatomite kihist. Kas see võiks olla tõhus korrosioonivastane kaitse?

See keemiliselt inertne materjal on antud paksuse juures sadu kordi tugevam kui teras ning tänu oma tihedalt pakitud aatomitele ei tohiks temast läbi minna ka korrodeerivad ühendid (nt kloriidioonid). Seega tekkis juba mõnda aega tagasi Tartu Ülikooli materjaliteadlastel küsimus: kas tõepoolest võiks vaid ühe aatomkihi paksust materjali kasutada korrosioonivastase kaitsekattena?

Esimesed katsed tehti ­vasega. Selgitamaks välja, kas grafeen tõepoolest suudab tõkestada korrodeerivate kloriidioonide reageerimist kaitstava metalliga, tuli esmalt valida sobiv metall ning katta see grafeeniga. Kaitstavaks metalliks valiti vask, kuna sellest on valmistatud veetorud ning teatavasti on vees alati väike kogus lahustunud soolasid. 

Vaskdetail kaeti Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi kiletehnoloogia laboris keemilise aurufaasist sadestuse meetodil grafeeni monokihiga ning veenduti selle kõrges kvaliteedis Raman spektroskoopia ja skaneeriva elektronmikroskoobi abil. Grafeeniga kaetud vaskobjektid asetati seejärel soolasesse vette ning kiiritati samal ajal UV-kiirgusega, mis kiirendab korrosiooniprotsesse. Peale immersiooniteste oli juba palja silmaga näha, et objektidega oli midagi toimunud, kuid alles põhjalikumad uuringud skaneeriva elektronmikroskoobiga tõid päevavalgele “kohutava” tõe. 

Nimelt oli grafeen korrosiooni pigem soodustanud, kui takistanud. Kuidas oli see aga võimalik?

Defektikohad roostetasid kiiremini. Täiendavad elektrokeemilised mõõtmised ja mikroskoopiauuringud näitasid, et esialgses grafeenis olid mikroskoopilised defektid, läbi mille paljastus alusmetall.

Soolalahuses tekkis aga suure grafeeni pinna ja väikese paljastunud metalli juures galvaaniline paar, mis kutsus defektses kohas esile kiirendatud alusmetalli roostetamise. 

See on sarnane olukorrale, kus alumiiniumist raam on ühendatud teraspoltidega ning kus teraspoldid põhjustavad alumiiniumi kiire korrosiooni.

Samas aga näitasid mikroskoopiauuringud, et osaliselt oli kate terveks jäänud ning see tõestas, et ka ühe aatomkihi paksune defektivaba materjal võib tõepoolest tõkestada kloriidioone.

Grafeeni “lappides” saadi kaitsekate. Peale esmaseid korrosiooniteste oli koheselt selge, et päris defektivaba laiapinnalist grafeeni ei ole võimalik tööstuslike rakenduste jaoks valmistada ja piisab vaid ühest august, mis viiks alusmaterjali kiire roostetamiseni. Seega tuli otsida lahendusi, kuidas kasutada ära grafeeni head difusioonibarjääri omadust ja vältida galvaanilist korrosiooni.

Üheks võimaluseks oleks grafeenis esinevate mikroskoopiliste defektide “parandamine”, kuid need defektid võivad olla vaid mõnenanomeetrised kui ka tuhandeid kordi suuremad ehk mitme mikromeetri laiused. Selliste aukude “lappimiseks” kasutati elektrokeemiliselt sadestatud elektroaktiivset polümeeri, polüpürrooli. 

Aukude parandamine sellisel meetodil oli võimalik tänu sellele, et grafeeni servad on võrreldes pinnaga märksa aktiivsemad. Seega sadestus polüpürrool eelistatult just defektidesse, sulgedes nii imepisikesed nano-defektid kui ka suuremad augud. Selline grafeeni-polüpürrooli nanokomposiitne kate suutis kaitsta vaskdetaili isegi pikaajalisel leotamisel soolases vees.

Uute võimaluste otsingul. Kaitsekate on siiski vaid üks võimalikest grafeeni rakendustest.

Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi kiletehnoloogia laboris käivad intensiivsed uuringud sellel materjalil põhinevate gaasisensorite väljatöötamiseks.

 

MIS ON MIS 

Uurimistööd grafeeni kasutamisest korrosiooni vastu 

Grafeen-polüpürrooli õhuke korrosioonivastane kaitsekiht vasele

Viisid läbi materjaliteadlased Maido Merisalu ning Tauno Kahro

Juhendajad professor Väino Sammelselg ja Dr. Harry Alles

Ilmunud artikkel teadusajakirjas “Synthetic Metals”

Grafeenoksiidil põhinevad kaitsekatted

Kaitseb kevadel oma doktoritöö välisdoktorant Jay Mondal

Juhendaja professor Väino Sammelselg.

 

 

Autor: Maido Merisalu, Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi kiletehnoloogia labori insener, doktorant