近日，基于十余年的工作積累，中國科學院寧波材料技術與工程研究所王立平研究員和趙文杰研究員團隊在Advanced Materials期刊上發表題為“Two-dimensional nanomaterials reinforced organic coatings for marine corrosion protection: State of the art, challenges, and future prospectives”的綜述文章。論文簡要介紹了二維納米材料的物理化學特性及其制備策略，分析了它們在有機涂層中發揮出色腐蝕防護性能的作用機制，如物理屏蔽、自修復和陰極保護等。同時結合理論計算，從分子尺度上揭示了二維納米材料在復合涂層中發揮的防腐機制，深入探討了關鍵因素對涂層防腐性能的影響規律。最后，作者展望了二維納米材料增強有機防腐涂層的發展趨勢及其面臨的挑戰和機遇。

前沿進展

二維納米材料具有大的長徑比和高物理阻隔性，能夠賦予復合涂層優異的抗腐蝕介質滲透和擴散性能，這是它們作為海洋防腐薄膜或納米填料的基本特性。目前，主要通過三種方式發揮二維納米材料的物理阻隔性能。一是物理屏障效應，分散均勻的二維納米材料可以有效填充涂層中的微空隙，提高涂層的致密性，有效發揮“迷宮效應”，延長腐蝕介質的滲透擴散路徑，從而提高復合涂層的防腐性能。二是調節它們在涂層內的排列方式，實現可控平行排列，逼近阻隔極限，從而實現長效防護（圖1）。三是在涂層表面構建超疏水結構，降低表面能，有效抑制腐蝕介質的浸潤、鋪展、滲透和擴散，從而延緩金屬材料發生腐蝕（圖2）。

圖1涂層物理屏蔽效果

圖2涂層表面的超疏水性構筑

涂層在實際應用或形膜階段不可避免地會遭遇細微的損壞，導致腐蝕介質加速穿透涂層內部，引發金屬基體的腐蝕，影響金屬設備的長期安全穩定運行。因此，賦予涂層自修復功能以提高其保護效率勢在必行。自修復防腐涂層根據修復機制分為外援型和本征型自修復涂層。其中，外援型自修復涂層主要是通過引入功能性納米填料，如緩蝕劑等，負載在二維納米材料或封裝在微納米容器內，通過外部刺激釋放，實現涂層的自修復行為。而本征型自修復涂層主要是指在光、熱和磁等外部刺激下，通過二維納米材料與有機鏈段之間發生物理化學相互作用，實現涂層受損區域的多次修復（圖3）。

圖3涂層的自修復機制

陰極保護技術主要是指金屬基底成為受保護的陰極，從而抑制電子遷移并阻止和/或削弱腐蝕反應。富鋅涂層是最有效的陰極保護措施之一。然而，富鋅涂層的高鋅含量導致其力學性能和阻隔性能較差，嚴重限制了其防腐性能的發揮。此外，鋅顆粒有限的電連接導致其難以完全利用，造成金屬資源的巨大浪費。利用高導電性的二維納米材料可以有效改善鋅顆粒與金屬基底之間以及鋅顆粒之間的電連接。這一方面提高了鋅顆粒的利用率。另一方面，二維納米材料的層狀結構可以增強涂層的物理阻隔性能，進一步增強富鋅涂層的防腐性能（圖4）。

圖4涂層的陰極保護機制

進一步的，隨著對二維納米材料增強有機涂層的深入研究，傳統的“試錯”式實驗無法從原子乃至分子尺度對涂層防腐性能微觀機制進行深入分析和理解，導致很難對涂層性能方面進行預測和結構設計指導。理論模擬計算可以模擬1000個以上的原子系統，在電子-原子-分子尺度上探索涂層防護的內在機制，是對實驗的有效補充，能夠為海洋環境高性能防腐涂層的逆向材料設計提供寶貴的指導（圖5）。

圖5理論模擬計算

二維納米材料增強有機涂層的耐蝕性能在很大程度上是取決于復合涂層的抗腐蝕因子滲透性、多功能性、界面結合強度、完整性和機械性能。此外，服役環境也對涂層的防腐性能和服役壽命有重要影響（圖6）。

圖6影響涂層防腐性能的關鍵因素

總結與展望

這篇綜述全面概述了二維納米材料增強有機防腐涂層的最新進展，特別強調了其海洋腐蝕防護性能的微觀機制。從本質上講，二維納米材料的片層尺寸、表面官能團、界面相容性和分散行為會對其腐蝕性能產生重要影響。從外部來看，腐蝕防護行為還受到服役環境因素的影響。在實驗室條件下，二維納米材料增強有機涂層表現出優異的抗腐蝕能力。基于以上，作者做出總結和展望：

二維納米材料的長期分散穩定性。二維納米材料在有機基體中的長期穩定分散是實現高性能涂層體系的重要前提。石墨烯納米片具有易團聚特性，MXene材料易于氧化。因此，實現二維納米材料的長期分散和化學穩定性是制備高性能涂層的先決條件。

多功能一體化。高性能多功能一體化復合涂層是未來二維納米材料增強有機涂層的一個重要發展趨勢。通過表界面強化設計并賦予涂層高物理屏障、自修復和抗生物污損等性能，可以實現在海洋環境中的長壽命高效防腐。

二維納米材料質量標準化。目前，沒有嚴格的標準來確定二維納米材料的質量。例如，石墨烯可以根據尺寸、層數、缺陷等因素進行分類。每種類型的石墨烯都具有不同的性質，石墨烯增強有機涂層的質量受到填料固有特性的影響，包括缺陷水平、尺寸和與基體的界面反應等。如果在應用中使用了“錯誤”類型的二維納米材料，可能無法達到預期的效果。因此，選擇合適的二維納米材料是制備高性能長壽命腐蝕防護涂層的關鍵。

應用于更加苛刻極端的海洋環境。應用環境復雜化和極端化是未來涂層發展的主要趨勢之一，如深遠海中涂層面臨著更高的靜水壓力、更低的溫度和更苛刻的微生物粘附性的服役環境。二維納米材料增強涂層具有高強度、優異的耐腐蝕性、高耐壓性、高抗滲透性和良好的環境適應性等特點，是未來應用的必要條件。

涂裝過程。二維納米材料增強有機涂層正逐漸應用于要求更高的服役環境，如浪濺區和全浸區，這需要更高效、更方便的施工技術。例如，研制新的涂裝設備，在水下和/或潮濕環境中實現自動噴涂，提高施工效率，降低人工操作帶來的風險。

實海原位測試。通過原位海洋環境驗證實驗，可以更準確地評估涂層的防護能力和環境適應性，有助于進一步改進和優化涂層體系。此外，原位實驗可以為復合涂層的研究提供更詳細、準確的統計數據，并為惡劣環境（包括極端溫度、高靜水壓力、強紫外線輻照、高鹽高濕等）下的高性能長壽命防腐涂層體系提供更精確的指導。