上海電力大學曹懷杰課題組在Advances in Colloid and Interface Science發表論文，簡要介紹了 MXene 和四種特殊腐蝕環境（深海環境、PEMFC 環境中的雙極板、AZIB 中的鋅陽極和鋰離子電池中的集流體）。重要的是，還介紹了基于 MXene 的防腐蝕涂層的設計策略和機理。

隨著清潔新型能源及儲能電池（海上風電、質子交換膜燃料電池PEMFC、水性鋅離子電池AZIBs、鋰離子電池LIBs等）的快速發展，特殊環境中金屬的腐蝕問題引起了人們的廣泛關注。能源系統中金屬腐蝕防護可降低經濟損失、運維成本，減少能耗，保障能源高效轉換和供給安全。

二維（2D）納米材料已被廣泛用于提高涂層的防腐性能，如石墨烯、石墨烯衍生物、二硫化鉬（MoS₂）、氮化硼（BN）、層狀雙氫氧化物（LDH）和Ti₃C₂T_x MXene等。區別于其它二維材料，MXene因其可控表面化學特性、化學組成多樣性（多種類MXene、非晶MXene及高熵MXene）、類金屬導電性（高于GO）、強NIR吸收能力和高光熱轉換效率、表面氧化納米顆粒增強效應、低摩擦系數及長磨損壽命，在清潔新型能源及儲能電池系統金屬表面防護領域具有潛在應用價值。

因此，基于MXene強阻隔特性及獨特的物理化學性質，利用環氧樹脂、聚氨酯、導電聚合物、硅烷、金屬等，可構建面向特殊服役環境下金屬表面防護用新型復合涂層。然而，與傳統的腐蝕環境不同，能源系統中的金屬材料特殊服役環境對MXene防護涂層的設計提出了更高的要求。在前期報道的研究基礎上，系統總結面向清潔新型能源及儲能電池系統（海上風電、PEMFC、AZIBs、LIBs等）中金屬表面防護用MXene復合涂層的構建方法和分析防護機制，對推動MXene在清潔能源、儲能電池領域中的應用具有重要意義。

討論了MXene 復合涂層在新能源系統防腐方面的優勢，并分析了 MXene 在腐蝕防護過程中的作用以及在特殊環境中的防腐機理，為設計高性能 MXene 復合涂層開辟了前景。

圖1、MXene涂層在能源系統金屬表面防護領域中的應用

圖2、深海環境下涂層腐蝕防護過程

圖3、質子交換膜燃料電池環境中金屬雙極板腐蝕

圖4、水系鋅離子電池環境中Zn負極的腐蝕

圖5、鋰離子電池鋁集流體的腐蝕

圖6、鋰離子電池銅集流體的腐蝕

圖7、MXene結構及化學特性

圖8、深海環境、質子交換膜燃料電池、水系鋅離子電池及鋰離子電池環境下金屬表面防護用MXene復合涂層研究進展

圖9、MXene用于清潔新型能源及儲能電池系統中金屬表面防護的優勢

在這篇綜述中，作者系統介紹了深海環境涂層腐蝕、PEMFC環境下金屬雙極板腐蝕、AZIBs環境下Zn負極腐蝕及LIBs中金屬集流體腐蝕問題；介紹MXene的物理化學性質、不同制備方法、氧化失效及MXene應用于金屬表面防護的優勢；而后，針對深海環境、PEMFC雙極板、AZIBs環境下Zn負極及LIBs集流體表面防護用MXene復合涂層的制備方法進行了詳細總結，并歸納了其防護機制；最后，提出了目前MXene涂層在能源系統金屬表面防護中面臨的挑戰和發展前景。本綜述旨在為設計面向清潔能源、儲能電池系統中金屬表面防護用MXene復合涂層及拓展MXene的應用提供指導。

在深海環境中，MXene/環氧樹脂復合涂層體現出優異防腐性能。MXene在環氧中的取向分布、MXene/環氧樹脂復合涂層致密性及涂層與金屬基體的結合強度對腐蝕防護性能影響較大；針對PEMFC環境中金屬雙極板防護涂層，MXene/導電聚合物（聚吡咯等）及超薄MXene復合涂層是理想選擇。同時，復合涂層需兼顧防腐和導電性；針對AZIBs系統Zn負極表面防護，MXene薄膜及MXene/金屬復合涂層可解決鋅枝晶及腐蝕問題。在LIBs環境中，MXene薄膜及超薄MXene復合防腐涂層可抑制鋁/銅集流體腐蝕。如何設計新型復合涂層，兼顧金屬表面高防護性能和能源系統使用性能以及明確MXene在特殊環境中的作用機制仍是后續研究的方向。

論文地址：

https://doi.org/10.1016/j.cis.2024.103373

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。針對海洋環境下金屬腐蝕問題，提出MXene/巰基硅烷涂層、MXene/LDH自修復涂層、多層MXene/DTMS復合防腐涂層；針對PEMFCs環境下金屬雙極板腐蝕問題，提出電沉積構筑仿生結構化MXene復合涂層和超薄MXene復合防腐涂層，并引入原位腐蝕觀測系統揭示MXene涂層的防護機制；針對MXene等二維材料在復合涂層中取向調控和表征困難等瓶頸問題，總結目前取向調控方法和量化取向的表征策略研究進展，指出結構-性能耦合關系解析難點；同時系統總結了MXene區別于石墨烯、氮化硼及氧化石墨烯的獨特優勢，闡述MXene用于金屬表面防護的原因及MXene自修復涂層設計策略及修復機制。

基于前期基礎，系統總結了目前清潔新型能源及儲能電池中金屬表面防護用MXene涂層設計策略及防護機制，近期在膠體界面國際權威期刊《Advances in Colloid and Interface Science》發表“Emerging two dimensional MXene for corrosion protection in new energy systems: Design and mechanisms”綜述論文。論文第一作者是上海電力大學環境與化學工程學院2023級研究生龔保龍，通訊作者曹懷杰。

龔保龍：上海電力大學環境與化學工程學院2023級碩士研究生，導師曹懷杰。研究方向為MXene防腐涂層。發表SCI論文4篇，申請專利2項，獲2024年第十七屆全國節能減排社會實踐與科技競賽一等獎、中國國際大學生創新大賽（2024）上海賽區銀獎、2024年第十四屆“挑戰杯”上海市大學生創業計劃競賽銅獎、2024年 “中天科技杯”第一屆上海市大學生節能減排社會實踐與科技競賽一等獎、2023年上海市大學生創造杯競賽二等獎。