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北工商樊保民/北化徐斌教授《ASS》：巨型對離子(MXene)摻雜構(gòu)建持久電活性囊泡型聚吡咯防護(hù)涂層
2023-10-16  來源：高分子科技

  1977年，導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)打破了“塑料不導(dǎo)電”的傳統(tǒng)觀念，其被廣泛應(yīng)用于生物傳感器、能量儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換、電磁屏蔽、導(dǎo)電織物和腐蝕防護(hù)等方面。聚吡咯（PPy）作為最具代表性的導(dǎo)電聚合物之一，可以直接通過電化學(xué)方法（電聚合）制備，用作防護(hù)涂層時(shí)可通過物理屏蔽以及與電活性相關(guān)的陽極保護(hù)效應(yīng)。然而，電聚合產(chǎn)物的本征多孔結(jié)構(gòu)、粘附力差以及電活性衰減迅速等因素直接限制作為涂層材料的實(shí)際價(jià)值。因此，有必要采用適當(dāng)措施減少電聚合涂層固有缺陷和并提升電活性以長效發(fā)揮防護(hù)效應(yīng)。


  鑒于此，本團(tuán)隊(duì)在前期構(gòu)建的十二烷基硫酸鈉（SDS）長效穩(wěn)定Ti3C2Tx-MXene膠體溶液的基礎(chǔ)上（Adv. Sci., 2023, 10: 2300273），提出SDS穩(wěn)定二維Ti3C2Tx，作為難以脫摻的“巨型”對離子原位摻雜電聚合PPy涂層；基于溶液中MXene表面的盈余負(fù)電荷長效穩(wěn)定PPy分子鏈上的氧化位點(diǎn)，使涂層長期處于摻雜態(tài)（電活性高），充分發(fā)揮陽極保護(hù)效應(yīng)使銅基底保持鈍化而高效緩蝕。 


圖1. PPy-STi涂層制備的流程示意圖。


  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，MXene的摻雜可以有效的提升涂層（PPy-Ti）的導(dǎo)電性及粘附強(qiáng)度。表面活性劑SDS的摻雜雖然會(huì)讓涂層（PPy-S）粘附力下降，但是復(fù)合涂層PPy-STi保持了長期的電活性和粘附強(qiáng)度。 


圖2. 各涂層的粘附強(qiáng)度和電導(dǎo)率。


  電化學(xué)和腐蝕后形貌測試結(jié)果表明，PPy-STi涂層可以依靠優(yōu)異的物理屏障和長效的陽極保護(hù)效果來避免銅基底受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕。 


圖3. PPy-STi涂層的動(dòng)電位極化（a），電化學(xué)阻抗譜（b）和電化學(xué)頻率調(diào)制譜（c）的測試譜圖。 


圖4. 腐蝕試驗(yàn)后，各涂層保護(hù)下的銅基底的表面微觀（a1-d1）和宏觀形貌（a2-d2），水接觸角（a3-d3）以及原子力顯微鏡測試結(jié)果（e-h）。


  結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果中涂層較高的自由體積分?jǐn)?shù)，可以推斷，在高成核率和析氫作用的共同作用下，PPy-STi涂層形成了獨(dú)特的三維囊泡結(jié)構(gòu)。 


圖5. PPy-STi涂層分子動(dòng)力學(xué)模擬優(yōu)化后模型（a），自由體積分?jǐn)?shù)測量模型（b）及結(jié)果（c）以及涂層的三維囊泡結(jié)構(gòu)（d）。


  該工作以“Stabilized Ti3C2Tx-doped 3D vesicle polypyrrole coating for efficient protection toward copper in artificial seawater”為題發(fā)表在Applied Surface Science（2024, 642: 158639）期刊上，北京化工大學(xué)2023級博士研究生趙驍騏為主要完成人，北京工商大學(xué)樊保民副教授和北京化工大學(xué)徐斌教授為共同通訊作者，該研究得到國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目（U2004212）的資助。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S016943322302319X

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