上海電力大學：自修復MXene復合涂層設計策略及防護機制！
2024-12-16 11:07:01
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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金屬腐蝕問題遍及電力、能源、交通、工程等眾多領域，給國民經濟造成巨大損失，對重大工程帶來安全隱患。由于其操作簡單、成本低、應用范圍廣，涂層技術是金屬腐蝕防護的有效方法。然而，涂層中的裂紋和微孔等缺陷限制了長效防腐性能。因此，僅依靠物理阻隔的被動防腐涂層難以滿足苛刻環境下金屬的長期服役需求。具有主動/被動防腐功能的自修復涂層是實現金屬表面長效防護的理想選擇。
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Ti3C2Tx 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，在金屬表面防護領域具有潛在應用價值。因此，結合MXene被動阻隔特性可構建具有主動防護功能的自修復復合涂層。在前期報道自修復MXene復合涂層研究基礎上，系統總結高性能自修復MXene復合涂層的構建方法和分析自修復機制，對推動MXene在金屬表面防護領域應用具有重要意義。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。提出利用MXene與硅烷在銅表面構建防腐涂層揭示腐蝕防護機制（Composites Part B:Engineering 2022, 228: 109427）；基于Ti3C2Tx MXene表面電荷特性與LDH靜電組裝，構筑自修復MXene防腐涂層（Surface &Coatings Technology 2023, 463: 129551）；為最大化發揮MXene的阻隔性能，提出了層層噴涂構筑多層MXene/DTMS復合涂層，實現高鹽環境下鋁合金表面穩定防護（Diamond and Related Materials 2024, 141: 110696）；通過一步電沉積構筑仿生分級結構的MXene復合涂層，提出利用原位腐蝕觀測實驗揭示MXene涂層在酸性條件下的防護機制（Journal of Colloid and Interface Science 2024, 685: 865-878）；針對PEMFC雙極板腐蝕問題，通過電沉積構建超薄MXene復合防腐涂層（Corrosion Science, 2024, 232: 112044）。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（Progress in Organic Coatings 2023, 182: 107715）。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（Composites Part B: Engineering 2024, 271: 111168）。基于前期基礎，系統總結了目前MXene自修復涂層設計策略及修復機制，近期在國際期刊Advances in Colloid and Interface Science發表“Toward self-healing two dimensional MXene coatings for corrosion protection on metals: Design strategies 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研究生馬曉晴，通訊作者曹懷杰。
在這篇綜述中，作者系統介紹了MXene自修復涂層的四種設計策略：Ce3+、LDH、緩蝕劑以及本征自修復聚合物協同構建自修復MXene復合涂層。分析了四種策略的優缺點。同時，針對目前MXene涂層的自修復過程表征策略進行總結：劃痕區涂層微觀結構演變、劃傷涂層電化學、微區電化學、力學性能分析。另外，針對目前涂層自修復效率的評價方法進行歸納。最后，針對以上四種策略，討論了對應的自修復機制，提出了MXene自修復涂層面臨的挑戰和發展前景。本綜述旨在為設計高性能自修復MXene防腐涂層及擴展MXene的應用提供指導。
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