近年來，石墨烯因其優異的抗滲性和化學穩定性而被廣泛應用于金屬腐蝕防護領域，此類金屬防護的例子包括純石墨烯涂層和石墨烯基復合涂層。但導電石墨烯可以促進界面處的電化學反應，加速金屬基材的腐蝕。更多新興的類石墨烯二維納米片因其阻隔性能和導電性差而在金屬防腐應用中受到研究關注，主要包括氮化硼（BN）、二硫化鉬（MoS₂)、磷酸鋯 (ZrP) 和碳化鈦 (MXene)。近兩年，本課題組在Progress in Organic Coatings（4篇）、Industrial & Engineering Chemistry Research等期刊發表關于類石墨烯的制備、改性及其在防腐涂層中應用的研究論文。基于此，本文對這些類石墨烯二維納米片在金屬保護中的應用進行了全面綜述。

腐蝕是一個緩慢的化學或電化學過程，往往造成巨大的經濟損失和重大的社會影響。表面涂層因其加工簡單、防護性能強成為金屬保護最常用、最經濟的手段。從理論上講，優良的防腐涂層應防止腐蝕性介質通過涂層基體滲透到金屬基體表面。然而，傳統的防腐涂料由于溶劑揮發而產生收縮和內部缺陷，削弱了對腐蝕性介質的阻隔性能，因此需要約300-500μm的極厚涂層材料用于海洋工程設備。因此，探索和開發厚度薄、經久耐用的新型防腐涂料具有重要意義。

近年來，石墨烯因其獨特而優異的熱、電和機械性能而廣泛應用于金屬腐蝕防護領域，此類金屬防護的例子包括純石墨烯涂層和石墨烯基復合涂層。單層無缺陷石墨烯涂層具有優異的阻隔性能，可防止氧氣、水等腐蝕介質進入金屬基材表面，被認為是最薄的防腐涂層。然而，一旦存在缺陷，導電石墨烯就會與底層金屬形成電偶腐蝕，從長遠來看會促進金屬的氧化/腐蝕。目前，更多新興的類石墨烯二維納米片因其阻隔性能和較差的導電性而引起金屬防腐應用的研究關注，主要包括氮化硼（BN）、二硫化鉬（MoS₂）、磷酸鋯（ZrP）、碳化鈦（MXene）、黑磷烯（BP）和云母納米片。

一些精彩的綜述主要關注于石墨烯基防腐涂料。然而，關于綜合類石墨烯二維納米片防腐涂層的綜述很少被報道。本文綜述了近年來關于類石墨烯二維納米片用于金屬保護的報道。首先簡要介紹了二維納米片的一般制備方法。還詳細描述了納米片的表面官能化，包括共價和非共價修飾。總結了純二維納米片涂層及其復合涂層的防腐性能、防腐機理和優化措施。最后，對二維納米片基防腐涂料的未來發展進行了展望，并討論了工業應用中面臨的挑戰。

圖1  BN、MoS₂、MXene、ZrP、BP和云母納米片的結構的三維表示。

圖2  二維納米片的制備和表面改性及其在防腐涂層中的應用摘要。

圖3  氮化硼納米片的制備方法概述。

近年來，人們探索了各種制備二維納米片的方法，可分為自上而下和自下而上的方法兩種。到目前為止，大多數二維納米片可以通過自上而下的方法從層狀大塊材料中獲得，包括機械剝離和液體剝離。自底向上的方法依賴于在給定的化學反應條件下的前驅體。化學氣相沉積法和濕化學法是合成二維納米片的兩種典型而又廣泛使用的自底向上方法。本文討論了幾種類石墨烯二維納米片的制備方法，如BN、MoS₂、ZrP、MXene。

圖4  (a) 氨基功能化的Ti₃C₂T_x的制備示意圖。(b) 包覆結構的制造過程示意圖

Ti₃C₂/石墨烯混合體。(c) T/EP-on-MAO的制備示意圖。(d) Ti₃C₂T_x納米片的制備示意圖及合成Ti₃C₂T_x/PANI復合材料（TPCs）的過程。

有機涂層是目前應用最廣泛的金屬保護材料。薄片狀的防腐顏料和填料是影響有機涂料防腐性能的決定性因素。薄片材料通過物理屏障，迫使腐蝕介質沿著涂層中的曲線向內移動，延長了遷移和擴散路徑，從而極大地延緩了腐蝕的進行。近年來，二維納米片和聚合物樹脂的復合涂層由于其優異的不滲透性、力學性能和導熱系數，已成為重型涂料領域的主要研究熱點。然而，二維納米片之間存在著很強的相互作用力，使其容易自動團聚，難以在樹脂中均勻分散。因此在將其加入復合材料之前，通常需要對其表面進行修飾，以防止其團聚的傾向，并提高其在聚合物中的分散性和界面相容性。

本文系統地綜述了類石墨烯二維納米片在金屬防護中的應用進展，但研究人員主要集中在類石墨烯二維納米片防腐涂層的實驗合成和宏觀性能方面，沒有從納米、細觀和微觀水平考慮腐蝕機理。Zhang等人回顧了石墨烯在防腐涂層中的作用，總結說基于石墨烯的涂層結構涉及不同規模的物理化學問題。現代腐蝕表征方法，主要包括電化學測試、重量法和鹽霧測試，通常反映涂層的“平均”性能，對腐蝕機理的解釋非常有限。對于石墨烯類二維納米片狀涂層，量子化學和分子模擬等計算化學將是避免實驗盲目性的有力工具，收集更多關于內在防腐機理的信息。未來的方向是了解不同階段的腐蝕過程，并確定使用石墨烯類二維納米片進行腐蝕防護時，小尺度結構的腐蝕行為與潛在的防腐機理之間的關系。

通過幾種典型的類石墨烯納米薄片防腐涂料的研究綜述發現，這些二維納米片的制備已經取得了很大的進展。同時二維納米薄片復合涂層的學術研究也比較成熟。通過共價/非共價修飾，可以使二維納米片材均勻分散，達到與有機涂層良好的相容性，從而抑制腐蝕介質的滲透，減少裂紋的擴展。因此，二維納米薄片納米復合涂層比傳統涂層具有更令人滿意的防腐性能。然而，在工業應用中，二維納米片材在聚合物復合防腐涂料中的增強作用還有很長的路要走。

(1)復合材料制造工藝成本高。獲取二維納米薄片的成本很高，且為了確保良好的分散狀態，消耗了大量的有機溶劑。因此，需要探索剝離、功能化、制造成本和性能之間的平衡。水性二維納米薄片防腐涂料將成為重防腐涂料的重要發展方向。

(2)實際應用中的涂料體系復雜，含有多種顏料、填料和助劑。二維納米片與其他顏料/填料/添加劑的相容性尚未得到研究。

(3)目前的研究主要集中在實驗室環境下二維納米薄片防腐涂層的短期腐蝕行為。因此，在二維納米片防腐涂料產業化之前，需要進行全面的工業應用評價和標準制定。

(4)二維納米片在涂層中的有序排列比隨機排列更有利于延長穿透路徑，從而增加腐蝕介質在涂層中的穿透屏障。因此，提高二維納米薄片在涂層中的有序排列將是未來的研究熱點。

(5)在實際應用中，涂層失效往往是各種自然因素協同老化的綜合結果。因此，對高性能、耐久、多元一體的二維納米復合涂層的發展提出了新的要求。