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上海電力大學(xué)曹懷杰 ACIS:自修復(fù)MXene復(fù)合涂層設(shè)計(jì)策略及防護(hù)機(jī)制
2024-11-24  來源:高分子科技

  金屬腐蝕問題遍及電力、能源、交通、工程等眾多領(lǐng)域,給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失,對重大工程帶來安全隱患。由于其操作簡單、成本低、應(yīng)用范圍廣,涂層技術(shù)是金屬腐蝕防護(hù)的有效方法。然而,涂層中的裂紋和微孔等缺陷限制了長效防腐性能。因此,僅依靠物理阻隔的被動防腐涂層難以滿足苛刻環(huán)境下金屬的長期服役需求。具有主動/被動防腐功能的自修復(fù)涂層是實(shí)現(xiàn)金屬表面長效防護(hù)的理想選擇。


  二維(2D)納米材料已被廣泛用于提高涂層的防腐性能,如石墨烯、石墨烯衍生物、二硫化鉬(MoS2)、氮化硼(BN)、層狀雙氫氧化物(LDH)和Ti3C2Tx MXene等。區(qū)別于其它二維材料,MXene因其可控表面化學(xué)特性、化學(xué)組成多樣性(多種類MXene、非晶MXene及高熵MXene)、類金屬導(dǎo)電性(高于GO)、強(qiáng)NIR吸收能力和高光熱轉(zhuǎn)換效率、表面氧化納米顆粒增強(qiáng)效應(yīng)、低摩擦系數(shù)及長磨損壽命,在金屬表面防護(hù)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。


  因此,結(jié)合MXene被動阻隔特性可構(gòu)建具有主動防護(hù)功能的自修復(fù)復(fù)合涂層。在前期報(bào)道自修復(fù)MXene復(fù)合涂層研究基礎(chǔ)上,系統(tǒng)總結(jié)高性能自修復(fù)MXene復(fù)合涂層的構(gòu)建方法和分析自修復(fù)機(jī)制,對推動MXene在金屬表面防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用具有重要意義。


  上海電力大學(xué)、上海市電力材料防護(hù)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹懷杰近年來圍繞MXene復(fù)合防腐涂層開展研究。提出利用MXene與硅烷在銅表面構(gòu)建防腐涂層揭示腐蝕防護(hù)機(jī)制(Composites Part B:Engineering 2022, 228: 109427);基于Ti3C2Tx MXene表面電荷特性與LDH靜電組裝,構(gòu)筑自修復(fù)MXene防腐涂層(Surface &Coatings Technology2023, 463: 129551);為最大化發(fā)揮MXene的阻隔性能,提出了層層噴涂構(gòu)筑多層MXene/DTMS復(fù)合涂層的方法,實(shí)現(xiàn)高鹽環(huán)境下鋁合金表面穩(wěn)定防護(hù)(Diamond and Related Materials 2024, 141: 110696);通過一步電沉積構(gòu)筑仿生分級結(jié)構(gòu)的MXene復(fù)合涂層,提出利用原位腐蝕觀測實(shí)驗(yàn)揭示MXene涂層在酸性條件下的防護(hù)機(jī)制(Journal of Colloid and Interface Science2024, 685: 865-878);針對PEMFC雙極板腐蝕問題,通過電沉積構(gòu)建超薄MXene復(fù)合防腐涂層(Corrosion Science, 2024, 232: 112044)。針對MXene等二維材料在復(fù)合涂層中取向調(diào)控和表征困難等瓶頸問題,總結(jié)目前取向調(diào)控方法和量化取向的表征策略研究進(jìn)展,指出結(jié)構(gòu)-性能耦合關(guān)系解析難點(diǎn)(Progress in Organic Coatings 2023, 182: 107715。同時系統(tǒng)總結(jié)了MXene區(qū)別于石墨烯、氮化硼及氧化石墨烯的獨(dú)特優(yōu)勢,闡述MXene用于金屬表面防護(hù)的原因(Composites Part B: Engineering 2024, 271: 111168


  基于前期基礎(chǔ),系統(tǒng)總結(jié)了目前MXene自修復(fù)涂層設(shè)計(jì)策略及修復(fù)機(jī)制,近期在膠體界面國際權(quán)威期刊《Advances in Colloid and Interface Science》發(fā)表Toward self-healing two dimensional MXene coatings for corrosion protection on metals: Design strategies and mechanisms 綜述論文。論文第一作者是上海電力大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院研究生馬曉晴,通訊作者曹懷杰。


  在這篇綜述中,作者系統(tǒng)介紹了MXene自修復(fù)涂層的四種設(shè)計(jì)策略:Ce3+、LDH、緩蝕劑以及本征自修復(fù)聚合物協(xié)同構(gòu)建自修復(fù)MXene復(fù)合涂層。分析了四種策略的優(yōu)缺點(diǎn)。同時,針對目前MXene涂層的自修復(fù)過程表征策略進(jìn)行總結(jié):劃痕區(qū)涂層微觀結(jié)構(gòu)演變、劃傷涂層電化學(xué)、微區(qū)電化學(xué)、力學(xué)性能分析。另外,針對目前涂層自修復(fù)效率的評價方法進(jìn)行歸納。最后,針對以上四種策略,討論了對應(yīng)的自修復(fù)機(jī)制提出了MXene自修復(fù)涂層面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。本綜述旨在為設(shè)計(jì)高性能自修復(fù)MXene防腐涂層及擴(kuò)展MXene的應(yīng)用提供指導(dǎo)。


1 自修復(fù)涂層


2 MXene組成、結(jié)構(gòu)及防腐/耐磨性質(zhì)


3自修復(fù)MXene復(fù)合涂層發(fā)展


4 自修復(fù)MXene復(fù)合防腐涂層設(shè)計(jì)策略


1涂層自修效率量化評價


2 MXene涂層自修復(fù)過程表征策略


  論文鏈接:http://doi.org/10.1016/j.cis.2024.103340


作者簡介

  馬曉晴:上海電力大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院2023級碩士研究生,導(dǎo)師曹懷杰。研究方向?yàn)?/span>MXene復(fù)合防腐涂層。以第一作者發(fā)表SCI論文2篇,獲研究生國家獎學(xué)金、2024年第十七屆全國節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽一等獎、中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽(2024)上海賽區(qū)銀獎、2024年第十四屆挑戰(zhàn)杯上海市大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽銅獎、2024年 中天科技杯第一屆上海市大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽一等獎、2024年第十一屆上海市大學(xué)生新材料創(chuàng)新創(chuàng)意大賽一等獎2024上海市熹賈杯最具商業(yè)化潛力大賽一等獎。

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