海洋腐蝕問題是導(dǎo)致海上設(shè)備失效的主要原因之一，也是全球腐蝕的難題。二維材料，特別是石墨烯的發(fā)現(xiàn)為開發(fā)新型海洋設(shè)備重防腐涂層提供了新的思路。石墨烯具有單原子層結(jié)構(gòu)及分子不可滲透性，被認(rèn)為是最薄的防護(hù)材料。然而，人工制備的石墨烯容易再團(tuán)聚，無法充分發(fā)揮石墨烯單片層的優(yōu)異特性。此外，石墨烯是導(dǎo)電碳材料，它具有較強(qiáng)的腐蝕促進(jìn)活性。團(tuán)聚的石墨烯會加劇聚合物涂層的局部微電偶腐蝕導(dǎo)致涂層破損，而在破損處，石墨烯將極易誘發(fā)其自身的腐蝕促進(jìn)活性，并以最快的速度釋放電子，加速金屬基體的腐蝕，這導(dǎo)致石墨稀在防腐領(lǐng)域的商業(yè)化和規(guī)；瘧(yīng)用進(jìn)程極為艱難。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進(jìn)涂料與粘合劑余海斌研究員團(tuán)隊針對石墨烯/聚合物復(fù)合防腐涂層在破損后加速金屬基體腐蝕這一隱患，采用氮化硼納米點（BNNDs）作為商業(yè)化石墨烯的分散劑，利用其原子結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性能實現(xiàn)其在聚合物中的均勻分散（圖1）。通過化學(xué)方法獲得的BNNDs通常含有豐富的親水基團(tuán)（如羧基和羥基）。這些親水基團(tuán)可以在水中進(jìn)行電離，賦予BNNDs優(yōu)異的溶解性。BNNDs被認(rèn)為是單層或半層絕緣氮化硼納米片，橫向尺寸小于50nm。BNNDs通過強(qiáng)烈的π-π作用吸附于石墨烯表面，以增加其分散性。同時，BNNDs的存在屏蔽了石墨烯的導(dǎo)電特性，有效抑制了其陰極腐蝕促進(jìn)活性（圖2）。
圖1 （a）BNNDs在石墨烯表面的沉積過程，（b）BNNDs@GNs復(fù)合片，（c）BNNDs及石墨烯的分散行為，（d）改性石墨烯聚合物涂層的屏蔽性
圖2 不同涂層體系的腐蝕機(jī)理：（a）純環(huán)氧涂層，（b-e）改性前后的石墨烯/環(huán)氧涂層
電化學(xué)測試表明，BNNDs改性的石墨烯材料具有優(yōu)良的防護(hù)性能，復(fù)合涂層的腐蝕速率相對空白涂層下降了280倍，涂層電阻增加了2個數(shù)量級。鑒于BNNDs不會影響石墨烯的本征特性，因此，BNNDs分散石墨烯有望快速推進(jìn)商業(yè)化石墨烯在防腐領(lǐng)域的應(yīng)用。
相關(guān)工作發(fā)表在ACS Sustain. Chem. Eng. 2019. DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b01796 (Super-anticorrosive graphene nanosheets through π deposition of boron nitride nanodots)，并獲得寧波市重點研發(fā)項目（2019C02073）的資助。
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