金屬腐蝕在日常生活和工業生產中會造成巨大的經濟損失和安全隱患。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。二維MXene/聚合物復合材料能實現多功能化，在金屬表面防護中展現出應用前景。與其他2D材料（石墨烯和氮化硼）類似，MXene在物理結構和化學性質方面的吸引力使其具有巨大的防腐應用潛力。然而，MXene表面氧化和較差的穩定性限制了其應用。區別于石墨烯和氮化硼等二維材料，為什么MXene可以用于金屬表面防護以及MXene在復合涂層中的獨特作用機制仍困擾著相關研究工作者。

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。提出了利用巰基硅烷和MXene協同作用提高銅表面防腐性能（Compos. Part B 2022, 228, 109427）；基于MXene表面負電荷和LDH靜電組裝構筑自修復MXene防腐涂層(Surf. Coat. Technol. 2023, 463, 129551)；為最大化MXene阻隔性能，提出層層構筑MXene/DTMS復合防腐涂層；以及提出了通過原位腐蝕觀測揭示MXene涂層在酸性條件下的防護機制（Journal of Colloid and Interface Science 2024, 685, 865-878）。同時，綜述了MXene等二維材料復合防腐涂層中取向調控和表征策略（Prog. Org. Coat. 2023, 182:107715）。基于前期基礎，近期在復合材料頂刊《Composites Part B: Engineering》發表“Beyond graphene and boron nitride: why MXene can be used in composite for corrosion protection on metals?”綜述論文。論文作者是上海電力大學環境與化學工程學院曹懷杰。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.111168

在這篇綜述中，作者介紹了MXene應用于金屬表面防護的獨特優勢。同時，分析了MXene與石墨烯、氮化硼、氧化石墨烯的相似之處和主要區別。總結了目前MXene防腐涂層相關實驗研究（防腐增強效應、表面功能化、結構設計與取向調控、自修復行為、特殊環境下的腐蝕防護性能）和理論計算的最新進展，歸納出MXene復合材料用于金屬表面防護的原因。最后，提出了MXene防腐復合涂層面臨的挑戰和發展前景。本綜述旨在為設計高性能MXene防腐涂層及擴展MXene的應用提供指導。

圖1 MXene結構及合成方法

圖2 MXene防腐涂層研究進展

圖3 MXene復合涂層結構控制方法及MXene納米片在防腐涂層中的主要作用

圖4 MXene與石墨烯、氮化硼、氧化石墨烯的比較

圖5 MXene復合涂層與其他二維材料復合涂層防腐性能比較

圖6 MXene在復合防腐涂層中區別于石墨烯/氮化硼的作用

圖7 MXene復合防腐涂層發展的挑戰與機遇

曹懷杰：上海電力大學環境與化學工程學院青年教師，2020年博士畢業于上海交通大學。研究方向是防腐涂層與電力材料防護。以第一作者/通訊作者發表SCI論文20篇。獲2021年第十七屆“挑戰杯”上海市大學生課外學術科技作品競賽優秀指導教師獎，獲2023年第十七屆全國青年腐蝕與防護科技論文講評會最具學術價值論文二等獎。入選2021年上海市高校“新能源存儲轉化與安全防護”創新團隊，作為完成人獲2022年中國腐蝕與防護學會科學技術獎（自然科學類）一等獎，入選2022年上海市啟明星培育揚帆計劃。