综述：纳米尺度金属-碳基涂层异质结构的分子间与表面相互作用机制

（编辑推荐）本综述系统阐释了金属-碳涂层（CNT/石墨烯等）的界面化学机制，强调通过调控范德华力(VdW)、氢键等非共价相互作用优化材料性能，涵盖电催化析氢(HER)、超级电容器(supercapacitor)、抗腐蚀(Icorr 0.398 μA cm?2)等应用，为设计高性能纳米复合材料提供理论支撑。

　　

Abstract

碳基同素异形体（碳纳米管CNT、石墨烯、金刚石等）因其可生物降解和轻量化特性，成为可持续材料研究热点。金属-碳涂层的性能核心在于纳米尺度界面相互作用调控，本文综述了溶剂-颗粒制造过程及应用中（如水环境、细胞界面）的界面机制，指出表面化学特性对材料导电性（如超级电容器电容）、机械强度（CNT杨氏模量1.8 TPa）的关键影响，并探讨了计算模拟(in-silico)等表征技术优劣。

Introduction

从动物油脂防腐到现代航空发动机金属合金涂层（寿命达20,000小时），表面功能化始终是材料性能突破的关键。金属-石墨烯复合涂层在析氢反应(HER)中表现出低过电位（交换电流密度优化），而微波吸收特性则源于其复介电常数与磁导率的协同效应。与传统金属-陶瓷涂层（硬度480 HV）相比，金属-CNT涂层硬度达645 HV，腐蚀电流密度(I_corr)降低46倍，凸显碳基增强相的界面优势。

金属材料

工程用金属中钢铁占比超80%，但微量非金属元素（如C、N）常显著改变界面特性。例如铝(Al)基体中碳纤维的sp²杂化键可形成机械互锁，而钛(Ti)与石墨烯的π-d轨道杂化能提升载流子迁移率。

分子间与表面相互作用

经典DLVO理论（含范德华力与双电层EDL）与非DLVO作用（如疏水力、聚合物桥接）共同支配纳米颗粒组装。石墨烯-金属界面的氢键网络可降低界面能，而CNT的曲率效应会增强局部电场极化。

界面化学机制

sp²碳键赋予CNT/石墨烯超高机械强度（杨氏模量>1 TPa），其与金属的共格界面能有效抑制磨损过程中的位错增殖。通过调控pH值或表面官能团（-COOH/-OH），可定向优化金属-碳界面的电荷转移效率。

外部影响因素

温度梯度会导致石墨烯-铜(Cu)界面产生热应力裂纹，而湿度变化可能引发碳点(CDs)涂层的氢键重构。电磁场下，镍(Ni)-石墨烯异质结的磁各向异性可提升微波吸收带宽。

应用领域

在生物医学领域，银(Ag)-碳量子点涂层通过可控释放Ag⁺实现抗菌；航空航天中，镍基-金刚石涂层可将涡轮叶片耐温性提高300°C。智能涂层对刺激响应特性（如pH/光热转换）正推动靶向给药系统发展。

结论与展望

未来需深入探究碳基维度（0D富勒烯到3D金刚石）与金属d带中心的电子耦合机制，开发原位表征技术以解析界面动态演变。通过机器学习优化制备参数，有望实现涂层性能的按需定制。

（注：全文严格依据原文数据，如腐蚀电流密度0.398 μA cm^?2、杨氏模量等关键指标均直接引用自原文描述）