上海電力大學曹懷杰腐蝕頂刊：面向鋁合金雙極板表面防護用超薄MXene復合涂層
2024-04-25 15:04:42
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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二維Ti3C2Tx MXene由于可調控的結構和表面化學特性、優異的阻隔性能、高徑厚比、超薄厚度、化學穩定性、機械性能和層間易于剪切變形能力，具有防腐耐磨性能。MXene復合涂層可用于金屬表面防護。質子交換膜燃料電池(PEMFC)金屬雙極板在酸性條件下的腐蝕問題，制約電池使用效率。常用的金屬、陶瓷、碳基、聚合物涂層，依然存在納米填料難以均勻分散、制備流程復雜、涂層制備速率低、環境不友好和成本高等問題。同時，涂層厚度影響雙極板使用性能，而雙極板表面防護用超薄復合涂層的構建仍存在挑戰。因此，基于MXene類金屬導電性、強阻隔性及低摩擦系數，可通過電沉積構建超薄MXene復合防護涂層，有望解決以上問題。上海電力大學、上海市電力材料防護與新材料重點實驗室曹懷杰近年來圍繞MXene復合防腐涂層開展研究。在前期研究通過一步電沉積構筑仿生分級結構的MXene復合涂層，通過原位腐蝕觀測揭示MXene涂層在酸性條件下防護機制（Journal of Colloid and Interface Science 2024, 685, 865-878）基礎上，提出利用電沉積法構建超薄MXene防腐耐磨涂層，結合原位腐蝕觀測、電化學分析、表面形貌及組分分析，揭示MXene復合涂層在PEMFC環境下的防護機制。相關成果“Electrodeposited Ti3C2Tx MXene composite coating toward superior surface protection on aluminum alloy in PEMFC environments”近期在腐蝕頂刊《Corrosion Science》上發表。該研究得到上海市揚帆計劃、上海市電力材料防護與新材料重點實驗室經費支持。論文第一作者是上海電力大學環境與化學工程學院2022級研究生王天歌，通訊作者曹懷杰。論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2024.112044在本研究中，作者提出了一種電沉積工藝構建超薄MXene復合涂層。相比其他防護涂層，在PEMFC環境下，MXene復合涂層電流密度降低效果明顯，同時涂層展現出穩定的防腐性能。MXene的引入，可提高表面耐磨性。通過表面潤濕性和3D共聚焦顯微鏡分析，穩定的表面疏水性和完整的覆蓋賦予涂層高耐蝕性。通過電化學分析、微觀結構和表面組成表征、原位腐蝕觀測探究，揭示MXene復合涂層在酸性條件下的防護機制。MXene納米片提升涂層防腐性能的主要原因歸結于：增加涂層厚度、降低涂層孔隙率、降低腐蝕介質的擴散系數、增強涂層與基底的粘附性、MXene部分氧化形成TiO2。圖1 超薄MXene復合涂層制備及表面結構、組成分析電沉積制備的MXene復合涂層呈現更致密的結構，水和酸性液滴的表面接觸角分別為135°和117°，相比于對比樣品，表面疏液性明顯增加。截面形貌圖結果MXene復合涂層的厚度提高到10.6 μm。圖3 MXene復合涂層在PEMFC環境下的電化學分析在模擬PEMFC酸性溶液0.5 M H2SO4+2ppm HF中，電沉積MXene復合涂層腐蝕電流密度為9.28×10-7 A/cm2。結合極化曲線數據，計算得到四種樣品的孔隙率分別為0.899, 0.735, 3.20×10-2, 9.15×10-4。EIS測試結果及擬合數據顯示MXene復合涂層的涂層電阻和電荷轉移電阻分別為3671 Ω•cm2和8265 Ω•cm2。10.6 μm厚的MXene復合涂層，腐蝕電流密度降低效果相比其他涂層體系更為顯著。酸性溶液中的浸泡實驗電化學結果顯示，電沉積構建的超薄MXene復合涂層仍顯示出高的涂層電阻和電荷轉移電阻，72h后復合涂層的腐蝕電流密度為9.39×10-4 A/cm2。高溫（60℃）MXene復合涂層腐蝕電流密度為4.04×10-5 A/cm2，浸泡12h后，涂層電流密度為6.98×10-3 A/cm2，仍低于對比樣品。因此，MXene復合涂層顯示出高穩定性。MXene的引入，涂層磨損率降低至3.82 ×10-3 mm3N-1m-1。圖4 MXene復合涂層酸性條件下浸泡后的表面形貌、潤濕性及化學組成分析在酸性溶液中浸泡后，對比樣品涂層表面出現明顯孔洞和剝離，MXene復合涂層仍呈現完整覆蓋。同時，潤濕性測試表明MXene復合涂層對水和酸性液體仍呈現高疏水性。表面化學組成分析結果說明Ce3+和MXene在涂層腐蝕防護中起到關鍵作用。圖5 原位觀測MXene復合涂層在酸性條件下的腐蝕行為原位腐蝕實驗證明MXene復合涂層能夠有效阻隔酸性介質的滲透，對Al合金的腐蝕有明顯抑制作用。同時，原位實驗12h，涂層仍覆蓋完整，與基體結合良好。對比涂層在實驗2h出現剝離現象。圖6 MXene復合涂層在酸性條件下浸泡前后形貌變化及防腐機制結合電化學分析，針對MXene復合涂層，H+的擴散系數降低至4.08×10-16 cm2/s。MXene的引入，可提高涂層厚度、降低孔隙率以及提高涂層與基體的粘附性。該工作通過電沉積構建超薄MXene復合涂層，提高鋁合金在PEMFC環境下的防腐耐磨性，通過原位腐蝕觀測揭示MXene對復合涂層在酸性條件下防腐性能的影響機制。
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