上海電力大學曹懷杰JCIS：原位腐蝕觀測揭示MXene涂層在酸性條件下的防護機制

二維Ti₃C₂T_x MXene由于可調控的結構和表面化學特性、優異的阻隔性能、高徑厚比、超薄厚度、化學穩定性、機械性能和層間易于剪切變形能力，具有防腐、耐磨性能。因此MXene復合涂層可被用于顯著提高金屬的腐蝕防護性能。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。MXene由于類金屬導電性、強阻隔性及低摩擦系數，可用于雙極板表面防護。然而，目前MXene復合涂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杰近年來圍繞MXene復合防腐涂層開展研究。提出了利用巰基硅烷和MXene協同作用提高銅表面防腐性能（Compos. Part B 2022, 228, 109427）；基于MXene表面負電荷和LDH靜電吸附組裝構筑自修復MXene防腐涂層(Surf. Coat. Technol. 2023, 463, 129551)；為最大化MXene阻隔性能，提出層層構筑MXene/DTMS復合防腐涂層。同時，綜述了MXene等二維材料在復合防腐涂層中取向調控和表征策略（Prog. Org. Coat. 2023, 182: 107715）。基于前期基礎，上海電力大學曹懷杰近期在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊發表“Bio-inspired Ti₃C₂T_x MXene composite coating for enhancing corrosion resistance of aluminum alloy in acidic environments”研究論文，提出了通過原位腐蝕觀測揭示MXene涂層在酸性條件下的防護機制，在實驗上直接觀察到MXene涂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。

在本研究中，作者提出了一步電沉積工藝構筑仿生結構的MXene復合防腐涂層。區別于復合涂層中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易于氧化問題。通過電化學分析、微觀結構和表面組成表征、原位腐蝕觀測探究，揭示MXene復合涂層在酸性條件下的防護機制。MXene納米片提升涂層防腐性能的主要原因歸結于：增加涂層厚度、降低涂層孔隙率、降低腐蝕介質的擴散系數、增強涂層與基底的粘附性、MXene部分氧化形成TiO₂顆粒的防腐增強作用。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，通訊作者曹懷杰。

圖1 仿生結構的MXene復合涂層制備及表面結構組成分析

圖2 MXene復合涂層在酸性條件下的電化學行為分析?

圖3 原位觀測MXene復合涂層在酸性條件下的腐蝕行為及腐蝕后表面微觀形貌

圖4 MXene防腐涂層在酸性條件下防護機制分析

總之，本研究提出了一步電沉積構筑仿生結構的MXene防腐涂層的方法，利用原位腐蝕觀測揭示MXene涂層在酸性條件下的防護機制。該工作為MXene防腐涂層構筑提供一種新的策略，對涂層防護機制研究提供一種新的思路。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.12.143

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，導師曹懷杰。研究方向為MXene復合防腐涂層。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涂層材料分會、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并作口頭報告。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。

曹懷杰：上海電力大學環境與化學工程學院青年教師，2020年博士畢業于上海交通大學。研究方向是防腐涂層與電力材料防護。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“新能源存儲轉化與安全防護”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。