由于结构和化学组成的多样性、丰富可控的表面化学特性、层间易于剪切变形能力，二维MXene涂层在金属表面防护领域展现出应用潜力。
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复合涂层开展研究。前期通过一步电沉积构筑仿生分级结构的MXene复合涂层（Journal of Colloid and Interface Science 2024, 685, 865-878）、超薄MXene/DTMS防腐耐磨涂层（Corrosion Science 2024, 232: 112044）、MXene/壳聚糖复合涂层（Corrosion Science, 2025, 249: 112854），研究其在模拟质子交换膜燃料电池（PEMFC）环境下的耐蚀性及防护机制；利用单宁酸修饰MXene构建环保自修复防腐涂层（Green Chemistry, 2025, 27(16): 4369-4384），涂层制备流程短，避免了高温处理和有毒试剂使用，自修复效率达99%以上；利用共沉淀和自组装的方法在铝合金上制备MXene/Zn-Al LDH 复合涂层，建立了干湿/温差交替环境模拟体系研究了MXene复合涂层的腐蚀防护行为（Corrosion Science, 2025, 255: 113088）。在此基础上，近期针对MXene防腐耐磨涂层研究取得新进展（Corrosion Science, 2026, 259: 113478; Tribology International, 2026, 219, 111842）。
1. MXene复合中间层改善非晶碳在PEMFC环境下的耐蚀性
针对前期研究中蜡烛灰转换非晶碳层与铝合金结合差、在酸性环境中耐蚀性不佳的问题，本文提出了利用电沉积法构建MXene复合中间层，改善非晶碳层与铝合金的结合，提高涂层在PEMFC环境中的耐蚀性。相关成果“Beyond metallic and ceramic interlayers: MXene interlayer for enhanced corrosion resistance of amorphous carbon coating on Al alloy bipolar plates in PEMFC environments”于近期发表在腐蚀领域顶级期刊《Corrosion Science》上。论文第一作者是上海电力大学环境与化学工程学院2024级研究生侯佳乐。
区别于常用金属中间层和陶瓷中间层，电沉积工艺技术更为简便。同样地，MXene中间层引入后，涂层在PEMFC环境中的耐蚀性可比于目前报道的非晶碳层体系。另外，原位腐蚀实验直接证明了MXene中间层可改善涂层与基体的结合，未出现明显涂层脱落，12h测试后后仍完整覆盖能够有效抑制H+的渗透。电化学测试结果表明，MXene/DTMS-C涂层在模拟PEMFC环境下腐蚀电流密度降低至2.268×10-7A/cm2，低频阻抗模值为81240 Ω·cm2，在60℃下以及35天的浸泡试验性能均优于单独的非晶碳涂层。
图1 铝合金表面MXene中间层改善非晶碳层设计
图2 铝合金、MXene中间层、及非晶碳层腐蚀后形貌及润湿性
在酸性溶液中浸泡实验后，微观形貌表明MXene/DTMS-C涂层表面较为致密，较强疏水性，以及XPS分析、FTIR分析，证明中间层的引入使得其具有较高的耐腐蚀性。
图3 铝合金表面MXene中间层协同非晶碳层腐蚀防护
碳涂层的完全覆盖以及强疏水性，提供了针对腐蚀性物质的强大物理屏障；MXene具有强抗渗性和高比表面积，发挥“迷宫效应”，延长腐蚀离子的扩散路径；具有长链脂肪族基团的DTMS 有利于与Ti3C2Tx 、Al合金和碳层的强结合性，相互作用的改善有利于长期耐腐蚀性。
2.电沉积耐磨LDH/MXene/EP复合涂层及其在干湿/温差交替环境中的腐蚀行为
针对前期研究中利用共沉淀和自组装构建的MXene/LDH复合涂层制备周期长、涂层较薄耐蚀性受限等问题，本文提出了利用电沉积制备ZnAl LDH/MXene/环氧树脂复合涂层，研究了MXene复合涂层的耐磨性及在干湿/温差交替环境下的腐蚀防护性能。相比于静电自组装工艺，电沉积法制备的ZnAl LDH/MXene/环氧树脂复合涂层均匀性和厚度更易调控，且电沉积环氧树脂的引入，可改善涂层的耐磨耐蚀性。相关成果“Enhanced wear resistance and corrosion resistance of electrodeposited Zn-Al LDH/MXene/epoxy composite coating on Al alloy under dry/humid and temperature alternating environments”于近期发表在摩擦学领域权威期刊《Tribology International》上。论文第一作者是上海电力大学环境与化学工程学院2024级研究生姬舒娴和2023级研究生龚保龙。
图4 LDH/MXene/环氧复合涂层设计
利用电沉积制备Zn-Al LDH及MXene/环氧复合涂层，涂层表面覆盖完整，接触角增加。结合表面结构和组成分析，发现MXene引入可降低涂层的孔隙率。因此，完整的涂层覆盖抑制腐蚀介质的渗入，提升环氧涂层在干湿和温差交替环境下的耐蚀性能。
图5 LDH/MXene/环氧复合涂层从实验设计、涂层厚度和性能上与其他涂层对比
图6 LDH/MXene/环氧复合涂层干湿/温差交替30周期后性能变化与其他涂层对比
经30周期干湿或温差交替循环后，MXene复合涂层仍保持高的阻隔性。与其他合成工艺对比，电沉积技术更为简便节省制备周期。且对比30循环周期前后的性能变化，可以看出电沉积LDH/MXene环氧复合涂层具有良好稳定性。不同交替周期测试后，表面组成分析MXene的组成演变获取MXene的氧化程度，量化MXene氧化和涂层耐蚀性的关系，明确氧化过程增强涂层在干湿/温差交替环境中的耐蚀性能。
图7 LDH/MXene/环氧复合涂层耐磨性
二维MXene引入环氧树脂后，可降低摩擦系数和磨损率。显微硬度结果表明复合涂层硬度提升，同时LDH/MXene环氧复合涂层表面能更低，二维MXene层间易于剪切变形，因此LDH/MXene环氧复合涂层耐磨性提升。
图8 LDH/MXene/环氧复合涂层磨损后表面分析
以上研究得到国家自然科学基金、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。
