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  在高壓、高氧含量的極端環(huán)境中，金屬的腐蝕速率將被提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，目前缺乏較好的防護(hù)措施，因此制備適用于極端氧環(huán)境的功能防腐涂層充滿挑戰(zhàn)。水性防腐涂料由于綠色環(huán)保、含揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）少，對(duì)環(huán)境友好，對(duì)人體無害，因此受到越來越多的關(guān)注。然而，目前水性防腐涂料中殘留的親水基團(tuán)和表面活性劑會(huì)形成極性通道，有利于腐蝕介質(zhì)的滲透，導(dǎo)致涂層對(duì)腐蝕性介質(zhì)的屏蔽能力較差，尤其是在高壓氧腐蝕環(huán)境中。

  基于上述研發(fā)需求，天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)通過經(jīng)濟(jì)高效的方法制備了功能化納米材料改性分散石墨烯（Gr），可使石墨烯在水中穩(wěn)定分散90天以上，解決了石墨烯水分散和兼容性問題。此外自主設(shè)計(jì)了一種旋涂取向法，可使功能化石墨烯N-CQDs@Gr在水性涂層中平行于金屬基板表面排布。這種涂層結(jié)構(gòu)不僅抑制了石墨烯因團(tuán)聚和導(dǎo)電引發(fā)的金屬微電偶腐蝕，而且最大化了石墨烯的阻隔性能。

圖1 (a) N-CQDs、(b) N-CQDs@Gr粒子以及 (c) N-CQDs@Gr涂層的制備示意圖。

圖2 (a1, a2) WEP、(b1, b2) Gr/WEP、(c1, c2) N-CQDs/WEP和 (d1, d2) N-CQDs@Gr/WEP涂層的SEM截面圖。

  電化學(xué)測(cè)試表明，在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡90天后，水性功能涂層的阻抗值比WEP水性涂層高2個(gè)數(shù)量級(jí)左右，并且浸泡260天后水性功能涂層的阻抗值仍保持在10⁹ ohm cm² 以上，尤其在3 MPa 純O₂和3.5 wt.% NaCl溶液耦合的苛刻環(huán)境中浸泡10天后，水性功能涂層的阻抗值仍保持在10¹⁰ ohm cm² 以上，比WEP水性涂層高將近3個(gè)數(shù)量級(jí)。研究揭示了功能納米材料對(duì)涂層防腐能力提升的作用機(jī)理。此工作為水性涂料的高性能化和功能化發(fā)展提供了新思路、新材料及其制備方法。

圖3 (a) 在3.5 wt.% NaCl溶液中，不同涂層的|Z| _{0.01 Hz}變化，(b) N-CQDs@Gr/WEP涂層在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡260天后EIS圖，(c) 在3 MPa 純O₂和3.5 wt.% NaCl溶液耦合的苛刻環(huán)境中浸泡10天前后不同涂層的阻抗圖。

圖4 (a) WEP，(b) Gr/WEP，(c) N-CQDs/WEP，(d) N-CQDs@Gr/WEP涂層的保護(hù)機(jī)制，(d2) 是 (d1) 的局部放大圖。

  上述研究成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊Chemical Engineering Journal上，論文的第一作者為天津大學(xué)化工學(xué)院碩士生王宵，通訊作者為天津大學(xué)化工學(xué)院汪懷遠(yuǎn)教授。

  原文鏈接：

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472104732X

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133156