二維Ti3C2Tx MXene由於可調控的結構和表面化學特性、優異的阻隔效能、高徑厚比、超薄厚度、化學穩定性、機械效能和層間易於剪下變形能力，具有防腐、耐磨效能。因此MXene復合塗層可被用於顯著提高金屬的腐蝕防護效能。面向質子交換膜燃料電池環境下的金屬雙極板材料，在酸性條件下面臨嚴重腐蝕，制約電池使用效率。而MXene由於類金屬導電性、強阻隔性及低摩擦系數，可用於雙極板表面防護。然而，目前MXene復合塗層在特殊環境下的防護機制尚不明確。
上海電力大學、上海市電力材料防護與新材料重點實驗室曹懷傑近年來圍繞MXene復合防腐塗層方面開展研究。提出了利用巰基矽烷和MXene協同作用提高銅表面防腐效能（Compos. Part B 2022, 228, 109427）；基於MXene表面負電荷和LDH靜電吸附組裝構築自修復MXene防腐塗層(Surf. Coat. Technol. 2023, 463, 129551)；為最大化MXene阻隔效能，提出層層構築MXene/DTMS復合防腐塗層。同時，綜述了MXene等二維材料復合防腐塗層中取向調控和表征策略（Prog. Org. Coat. 2023, 182: 107715）。基於前期基礎，上海電力大學曹懷傑近期在【 Journal of Colloid & Interface Science 】期刊發表「Bio-inspired Ti3C2Tx MXene composite coating for enhancing corrosion resistance of aluminum alloy in acidic environments」研究論文 ，提出了透過原位腐蝕觀測揭示MXene塗層在酸性條件下的防護機制，在實驗上直接觀察到MXene塗層的物理阻隔對酸性條件下鋁合金表面析氫反應的抑制作用。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.12.143
在本研究中，作者提出了一步電沈積工藝構築仿生結構的MXene復合防腐塗層。區別於復合塗層中MXene取向調控和MXene表面官能化，該過程能夠避免MXene納米片的團聚問題，同時緩解MXene易於氧化問題。透過電化學分析、微觀結構和表面組成表征、原位腐蝕觀測探究，揭示MXene復合塗層在酸性條件下的防護機制。MXene納米片提升塗層防腐效能的主要原因歸結於：增加塗層厚度、降低塗層孔隙率、降低腐蝕介質的擴散系數、增強塗層與基底的粘附性、MXene部份氧化形成TiO2顆粒的腐蝕增強作用。該研究得到上海市揚帆計劃、上海市電力材料防護與新材料重點實驗室經費支持。論文第一作者是上海電力大學環境與化學工程學院2022級碩士生王天歌，通訊作者曹懷傑。
圖1 仿生結構的MXene復合塗層制備及表面結構組成分析
圖2 MXene復合塗層在酸性條件下的電化學行為分析
圖3 原位觀測MXene復合塗層在酸性條件下的腐蝕行為及腐蝕後表面微觀形貌
圖4 MXene防腐塗層在酸性條件下防護機制分析
總之，本研究提出了一步電沈積構築仿生結構的MXene防腐塗層的方法，利用原位腐蝕觀測揭示MXene塗層在酸性條件下的防護機制。該工作為MXene防腐塗層構築提供一種新的策略，對塗層防護機制研究提供一種新的思路。
作者簡介
王天歌 ：上海電力大學環境與化學工程學院2022級碩士研究生，導師曹懷傑。研究方向為MXene復合防腐塗層。以第一作者發表SCI論文3篇，獲研究生國家獎學金，參加第十二屆全國腐蝕與防護大會先進塗層材料分會、中國海洋大學舉辦未來科學家全國研究生學術論壇-海洋裝備特種材料與防護技術並作口頭報告。獲2023年第十屆上海市大學生新材料創新創意大賽三等獎、銀鞍杯最具商業化潛力大賽三等獎、2023年上海市大學生創造杯大賽二等獎。
曹懷傑 ：上海電力大學環境與化學工程學院青年教師，2020年博士畢業於上海交通大學。研究方向是防腐塗層與電力材料防護。以第一作者/通訊作者發表SCI論文20篇。獲2021年第十七屆「挑戰杯」上海市大學生課外學術科技作品競賽優秀指導教師獎，獲2023年第十七屆全國青年腐蝕與防護科技論文講評會最具學術價值論文二等獎。入選2021年上海市高校「新能源儲存轉化與安全防護」創新團隊，作為完成人獲2022年中國腐蝕與防護學會科學技術獎（自然科學類）一等獎，入選2022年上海市啟明星培育揚帆計劃。
來自微信公眾號「材料科學與工程」。感謝論文作者團隊供稿支持。
