特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。
编辑丨风云
推荐阅读：厦大/北大Nature：郑南峰/傅钢/江颖等发展新型铜防腐技术！
研究背景
铜因其卓越的导电和导热性能，成为现代电子和能源系统中不可或缺的材料。然而，铜极易发生氧化和腐蚀，尤其在潮湿、氧气或高温环境下，其性能和可靠性会大打折扣。现有的钝化保护策略通常需要高温处理或复杂的多步工艺，这与柔性电子所需的低温加工环境不相容，且往往会在提升稳定性的同时牺牲导电性。
关键问题
目前，铜在柔性电子中的应用主要存在以下问题：
1、传统防腐策略的工艺局限性
现有的铜钝化策略，如使用惰性涂层或晶格匹配界面，通常需要高温烧结或多步处理，难以满足下一代柔性电子产品对低温（<150°C）加工的严苛需求。
2、导电性与稳定性的协同挑战
在铜表面添加保护层往往会显著增加界面电阻，导致电导率大幅下降，使得在复杂化学环境中维持高导电性能和长期环境稳定性成为一个难以调和的权衡问题。
新思路
有鉴于此，美国马里兰大学任申强教授、胡良兵教授、张俊博士和美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）郑海梅教授等人报告了一种分子反应策略，在低于150°C的温度下将铜前驱体转化为金属铜，同时生成超薄碳基和一价铜（Cu(I)）表面钝化层。基于儿茶酚的配体介导铜还原，实现低温颗粒间融合并赋予表面钝化，产生具有低电阻率和卓越稳定性（在酸中>1000小时，硫化物中>200小时，140°C下>240小时）的柔性铜。该策略解决了下一代柔性电子和能源系统中导电性、耐腐蚀性与加工性之间长期存在的权衡问题。
技术方案：
1、构建了活性铜-有机基体（CuOM）
研究利用还原性分子介导甲酸铜在<150°C低温下还原，构建了高导电且具备原位钝化层的连续铜网络。
2、监测了CuOM实时生长与演化
通过原位结晶动力学研究，证实了从无定形前驱体经由Cu(I)阶段向被碳包覆的Cu(0)核壳结构的转变。
3、揭示了CuOM微观结构与机理
作者揭示了Cu2O中介层在还原环境下促进颗粒融合的机制，以及碳基复合层在酸碱环境中的屏障作用。
4、展示了实际应用与性能
作者证明了该铜材料在柔性电子、光伏及电池集流体中的高效稳定性，具有替代贵金属电极的巨大潜力。
技术优势：
1、开发了原位生成的自保护钝化体系
本文提出了一种铜-有机基体策略，在低温空气中实现了从分子前驱体到金属铜的直接转化，并原位生成了由碳基外壳和Cu(I)界面组成的复合钝化层。
2、兼顾了极低电阻率与极端稳定性
该方法制备的铜网络实现了8.95 μΩ·cm的低电阻率，并在强酸、强碱及高温环境中表现出卓越的耐久性，性能远超现有的商业铜箔和打印铜墨水。
技术细节
活性铜-有机基体（CuOM）的制备与表征
研究团队开发了CuOM策略，通过特定的有机分子在空气中介导甲酸铜的分解。通过引入2-氨基-2-甲基丙醇（AMP）和多巴胺（DA）等还原性配体，在100°C至150°C的极低温度下激活固体甲酸铜，促进了连续铜网络的形核与生长。这种分子介导的分解方式不仅降低了烧结温度，还避免了传统工艺对惰性气氛的依赖。在这种系统中，分子配体在还原铜的同时，会通过氧化聚合和配位作用，在生成的铜颗粒表面形成局域碳基和Cu(I)钝化层。这种同步的还原与钝化机制为柔性电子基底上的互连电路提供了高效的低温制备方案，其网络连续性足以媲美600°C高温烧结的产物。
图 耐腐蚀导电网络铜的低温分子钝化
实时生长跟踪与结构演化
利用原位广角X射线散射（GIWAXS）和实时XRD技术，研究人员在环境条件下追踪了CuOM墨水的结晶过程。初始状态的前驱体呈无定形，随着加热时间增加，金属铜的特征衍射峰（111、200等）逐渐增强。研究发现，还原分子引导了甲酸铜的分解路径，其通过一个关键的一价铜（Cu(I)）中间阶段，最终还原为稳定的金属铜。在此过程中，还原性分子原位转化为包覆在铜表面的无定形碳层，这一层碳有效地阻碍了氧分子的扩散。热重分析和红外光谱进一步证实了挥发分去除与固结成核的分阶段过程。这种精准的分子控制路径，确保了活性铜颗粒在形成瞬间即被钝化层保护，从而显著提升了材料的化学稳定性。
图 铜墨在空气中热处理的烧结过程及结构演变
微观结构与耐腐蚀机理研究
高分辨率电子显微镜揭示了铜网络独特的“核-壳”结构：金属铜核被约3纳米厚的Cu2O和碳基复合膜包裹。关键的机理在于，颗粒表面的Cu(I)（如Cu2O）在还原环境下充当了原子融合的“桥梁”。在低温烧结时，Cu2O的原位还原消除了扩散壁垒，产生新鲜铜原子填充颗粒间隙，从而在较低能量下实现了颗粒间的金属键结合。这种紧密的融合确保了高效的电子传导，将界面电阻降至最低。同时，外部的碳基保护层提供了强大的化学屏障，防止了酸、碱和硫化物离子的侵蚀。实验证明，该结构在pH 3的酸液中能稳定运行超过1000小时，这种由分子尺度设计的防护层赋予了打印铜卓越的抗腐蚀能力。
图 铜导电网络的微观结构和界面特性
实际应用与多领域性能验证
该钝化铜策略在柔性电子和能源存储领域展现出广泛的应用前景。制备的铜墨水具有优异的印刷适性和稳定性，在室温存放6个月后电导率保持率仍超过97%。在作为锂电池集流体测试中，该材料展示了极高的电化学稳定性，在500次循环后容量保持率>98%。此外，将其应用于光伏电池电极时，表现出与传统银电极相当的光电转换效率。凭借其卓越的柔韧性和防腐特性，该技术已成功用于打印复杂的3D金属互连件、柔性天线及微电路。这表明CuOM策略不仅在学术上解决了导电性与稳定性的矛盾，也为低成本、大规模生产高性能铜电子器件铺平了道路。
图 CuOM油墨钝化Cu的表面钝化特性及应用
展望
本研究通过创新的活性铜-有机基体（CuOM）策略，成功开发出一种具备卓越耐腐蚀性的可打印铜材料。该策略利用还原性分子在低温（<150°C）下引导铜的原位形核、融合与钝化，在保持低电阻率的同时，实现了对极端化学环境的超长抗性。该发现不仅攻克了铜在空气中低温烧结与钝化的难题，也为柔性电子和高性能能源系统的低成本制造提供了一种极具吸引力的普适性平台。
参考文献：
JUN ZHANG, et al. A molecular pathway to corrosion-resistant printable copper. Science, 2026, 392(6799): 766-770
DOI: 10.1126/science.aed4488
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed4488
