導電聚合物因其獨特的結構和物理化學性質成為材料科學研究領域重要的一部分，其在過去的二十年間已被廣泛應用于可穿戴設備、能量儲存與轉換、生物醫藥等領域。此外，將導電聚合物原位形成防護涂層，以發揮物理屏蔽與陽極保護的雙重作用，可有效減緩金屬基底在苛性條件下的腐蝕。但是，在大多數情況下，單一的電聚層仍存在結構疏松、與基體黏附強度低、易被還原而喪失緩蝕性能等弊端，難以提供長效的防護作用。因此，迫切需要有效提高導電聚合物涂層的保護性能。

近年來，北京工商大學化學與材料工程學院樊保民副教授團隊致力于苛性條件下（如海洋環境）提升金屬耐蝕性能的研究。通過易于操作的離子摻雜過程，在銅基底上原位形成聚N-乙基苯胺/硅酸鈉電聚復合涂層，實現對基底銅的長效防護；并結合多尺度理論計算揭示復合電聚涂層的防護機理，以期為海洋環境中銅基設施防護提供有意義的指導。相關研究成果以Anti-corrosive mechanism of poly （N-ethylaniline）/sodium silicate electrochemical composites forcopper: correlated experimental and in-silicostudies為題，發表在材料領域一流期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.08.064

通過電化學易于操作的離子摻雜過程，將不同含量的硅酸鈉（5 mM、10mM、15 mM）摻雜到N-乙基苯胺溶液中，在銅基底上原位形成聚N-乙基苯胺（PNEA）及聚N-乙基苯胺/硅酸鈉電聚復合涂層。通過對其物理性質（如密度、厚度、電導率、粘附強度）的評估，摻雜有10 mM硅酸鈉的聚N-乙基苯胺/硅酸鈉（PNEA-10Si）復合涂層具有最低的電導率（1.57 S/cm）和最強的粘附力（4B級）。基于物理/化學屏蔽，導電性和粘合強度的特性，合理地確認PNEA-10Si復合材料是抑制腐蝕性介質中銅腐蝕的最佳材料，且作為后續研究分析的目標。

圖1 不同涂層的物理性質表征

對在苛性條件下（3.5%NaCl溶液）涂層進行電化學測試（動電位極化、電化學阻抗譜），PNEA和PNEA-10Si涂層對銅基底的保護性能分別為84.12%、94.56%。為深究其在苛性條件下的長效防護性能，對腐蝕介質中浸泡不同時長后的涂層進行電化學測試、形貌和溶液分析。其結果表明，相同浸泡時長下，PNEA-10Si的腐蝕電流密度比PNEA對應值低一至兩個數量級，其電荷轉移電阻和涂層電阻值比PNEA相應值高且穩定，且具有最低的平均粗糙度（13 nm）和銅離子浸出濃度（25.80 mg/L），表明硅酸鈉的摻雜有助于提高電聚層的長效防護性能。

圖2 涂層在不同浸泡時長下的動電位極化曲線

圖3 涂層在不同浸泡時長下的電化學阻抗譜

圖4 不同涂層在腐蝕介質中浸泡144h前后的三維形貌

通過顯性溶劑模型下的密度泛函計算與動態力場下分子動力學模擬，考察硅酸鹽與PNEA的相容性并闡明聚合鏈在特定金屬晶面的沉積機理。結果表明，硅酸鹽通過靜電力牢固的插入PNEA層，且與PNEA具有良好的相容性。此外，因PNEA-10Si涂層良好的電荷屏蔽，高錨固強度，結構穩定和原位離子擴散受阻，使其比PNEA具有更好的長效防護性能，其理論計算結果與實驗現象良好匹配。

圖5 顯性溶劑模型下PNEA及PNEA-10Si模型的反應性描述符

圖6 不同離子在PNEA及PNEA-10Si涂層中的均方位移

北京工商大學化學與材料工程學院2019級碩士生劉浩為本文的第一作者，樊保民副教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金（21606005），北京市自然科學基金（2192016）與“十三五”北京市屬高校高水平教師隊伍建設支持計劃（CIT＆TCD201904042）的資助。