上海电力大学曹怀杰JCIS：原位腐蚀观测揭示MXene涂层在酸性条件下的防护机制

二维Ti₃C₂T_xMXene由于可调控的结构和表面化学特性、优异的阻隔性能、高径厚比、超薄厚度、化学稳定性、机械性能和层间易于剪切变形能力，具有防腐、耐磨性能。因此MXene复合涂层可被用于显著提高金属的腐蚀防护性能。面向质子交换膜燃料电池环境下的金属双极板材料，在酸性条件下面临严重腐蚀，制约电池使用效率。MXene由于类金属导电性、强阻隔性及低摩擦系数，可用于双极板表面防护。然而，目前MXene复合涂层在特殊环境下的防护机制尚不明确。

上海电力大学、上海市电力材料防护与新材料重点实验室曹怀杰近年来围绕MXene复合防腐涂层开展研究。提出了利用巯基硅烷和MXene协同作用提高铜表面防腐性能（Compos. Part B 2022, 228, 109427）；基于MXene表面负电荷和LDH静电吸附组装构筑自修复MXene防腐涂层(Surf. Coat. Technol. 2023, 463, 129551)；为最大化MXene阻隔性能，提出层层构筑MXene/DTMS复合防腐涂层。同时，综述了MXene等二维材料在复合防腐涂层中取向调控和表征策略（Prog. Org. Coat.2023, 182: 107715）。基于前期基础，上海电力大学曹怀杰近期在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊发表“Bio-inspired Ti₃C₂T_xMXene composite coating for enhancing corrosion resistance of aluminum alloy in acidic environments”研究论文，提出了通过原位腐蚀观测揭示MXene涂层在酸性条件下的防护机制，在实验上直接观察到MXene涂层的物理阻隔对酸性条件下铝合金表面析氢反应的抑制作用。

在本研究中，作者提出了一步电沉积工艺构筑仿生结构的MXene复合防腐涂层。区别于复合涂层中MXene取向调控和MXene表面官能化，该过程能够避免MXene纳米片的团聚问题，同时缓解MXene易于氧化问题。通过电化学分析、微观结构和表面组成表征、原位腐蚀观测探究，揭示MXene复合涂层在酸性条件下的防护机制。MXene纳米片提升涂层防腐性能的主要原因归结于：增加涂层厚度、降低涂层孔隙率、降低腐蚀介质的扩散系数、增强涂层与基底的粘附性、MXene部分氧化形成TiO₂颗粒的防腐增强作用。该研究得到上海市扬帆计划、上海市电力材料防护与新材料重点实验室经费支持。论文第一作者是上海电力大学环境与化学工程学院2022级硕士生王天歌，通讯作者曹怀杰。

图1 仿生结构的MXene复合涂层制备及表面结构组成分析

图2 MXene复合涂层在酸性条件下的电化学行为分析

图3 原位观测MXene复合涂层在酸性条件下的腐蚀行为及腐蚀后表面微观形貌

图4 MXene防腐涂层在酸性条件下防护机制分析

总之，本研究提出了一步电沉积构筑仿生结构的MXene防腐涂层的方法，利用原位腐蚀观测揭示MXene涂层在酸性条件下的防护机制。该工作为MXene防腐涂层构筑提供一种新的策略，对涂层防护机制研究提供一种新的思路。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.12.143

作者简介

王天歌：上海电力大学环境与化学工程学院2022级硕士研究生，导师曹怀杰。研究方向为MXene复合防腐涂层。以第一作者发表SCI论文3篇，获研究生国家奖学金，参加第十二届全国腐蚀与防护大会先进涂层材料分会、中国海洋大学举办未来科学家全国研究生学术论坛-海洋装备特种材料与防护技术并作口头报告。获2023年第十届上海市大学生新材料创新创意大赛三等奖、银鞍杯最具商业化潜力大赛三等奖、2023年上海市大学生创造杯大赛二等奖。

曹怀杰：上海电力大学环境与化学工程学院青年教师，2020年博士毕业于上海交通大学。研究方向是防腐涂层与电力材料防护。以第一作者/通讯作者发表SCI论文20篇。获2021年第十七届“挑战杯”上海市大学生课外学术滚球体育 作品竞赛优秀指导教师奖，获2023年第十七届全国青年腐蚀与防护滚球体育 论文讲评会最具学术价值论文二等奖。入选2021年上海市高校“欧洲杯线上买球 存储转化与安全防护”创新团队，作为完成人获2022年中国腐蚀与防护学会科学技术奖（自然科学类）一等奖，入选2022年上海市启明星培育扬帆计划。