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_x MXene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_x MXene 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科技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科技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“新能源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。