上海电力大学Compos. Part B-Eng.综述：MXene用于金属表面防护的原因

金属腐蚀在日常生活和工业生产中会造成巨大的经济损失和安全隐患。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。二维MXene/聚合物复合材料能实现多功能化，在金属表面防护中展现出应用前景。与其他2D材料（石墨烯和氮化硼）类似，MXene在物理结构和化学性质方面的吸引力使其具有巨大的防腐应用潜力。然而，MXene表面氧化和较差的稳定性限制了其应用。区别于石墨烯和氮化硼等二维材料，为什么MXene可以用于金属表面防护以及MXene在复合涂层中的独特作用机制仍困扰着相关研究工作者。

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；以及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（Journal of Colloid and Interface Science 2024, 685, 865-878）。同时，综述了MXene等二维材料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，近期在复合材料顶刊《Composites Part B: Engineering》发表“Beyond graphene and boron nitride: why MXene can be used in composite for corrosion protection on metals?”综述论文。论文作者是上海电力大学环境与化学工程学院曹怀杰。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.111168

在这篇综述中，作者介绍了MXene应用于金属表面防护的独特优势。同时，分析了MXene与石墨烯、氮化硼、氧化石墨烯的相似之处和主要区别。总结了目前MXene防腐涂层相关实验研究（防腐增强效应、表面功能化、结构设计与取向调控、自修复行为、特殊环境下的腐蚀防护性能）和理论计算的最新进展，归纳出MXene复合材料用于金属表面防护的原因。最后，提出了MXene防腐复合涂层面临的挑战和发展前景。本综述旨在为设计高性能MXene防腐涂层及扩展MXene的应用提供指导。

图1 MXene结构及合成方法

图2 MXene防腐涂层研究进展

图3 MXene复合涂层结构控制方法及MXene纳米片在防腐涂层中的主要作用

图4 MXene与石墨烯、氮化硼、氧化石墨烯的比较

图5 MXene复合涂层与其他二维材料复合涂层防腐性能比较

图6 MXene在复合防腐涂层中区别于石墨烯/氮化硼的作用

图7 MXene复合防腐涂层发展的挑战与机遇

作者简介

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。