上海电力大学Langmuir：电沉积法构建具有主动/被动防腐功能的BTA-MOF/SiO2复合涂层

金属腐蚀问题遍及电力、交通、能源、工程等众多领域，给国民经济造成巨大损失，对重大工程带来安全隐患。面向金属表面高性能、稳定的防腐涂层关键性技术研究显得尤为重要。绿色环保的防腐涂层可助力金属延寿，有利于可持续发展。然而，仅依靠物理阻隔的被动防腐涂层难以满足苛刻环境下金属的长期服役需求。具有主动/被动防腐功能的涂层材料是实现金属表面长效防护的理想选择。

针对SiO₂被动防腐涂层存在的问题，引入缓蚀剂/金属有机框架（MOF）填料，可显著提高涂层的耐蚀性。苯并三唑（BTA）是一种缓蚀剂，可以在金属表面形成保护膜，从而降低金属的腐蚀速率。基于MOF大的比表面积、稳定的结构和良好的化学稳定性，将苯并三唑（BTA）缓蚀剂负载在MOF容器中，可实现缓蚀剂的响应释放。基于涂层的物理阻隔和MOF中缓蚀剂的响应释放，涂层可实现主动/被动保护功能，显著提升SiO₂涂层的耐蚀性。

上海电力大学、上海市电力材料防护与新材料重点实验室张俊喜教授、曹怀杰等近期在化学领域知名期刊《Langmuir》上发表“Eco-Friendly Sustainable and Responsive High-Performance Benzotriazole-Metal Organic Frameworks/Silica Composite Coating with Active/Passive Corrosion Protection on Copper”研究论文，提出了利用电沉积在铜表面构筑BTA-MOF/SiO₂复合涂层，实现主动/被动防腐功能。结合微观结构、紫外吸收光谱、盐雾试验、化学组成及电化学分析，研究了pH和Cl^-浓度诱导BTA缓蚀剂的响应性释放和涂层的主动/被动防护机制。

论文链接： https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c00328

在本研究中，将苯并三唑（BTA）-金属有机骨架（Cu-MOFs，UiO-66）引入二氧化硅（SiO₂）涂层中，通过电沉积工艺在铜表面制备BTA-MOF/SiO₂复合涂层。BTA-MOF/SiO₂复合涂层呈现超疏水性，水接触角为154.2°。随着BTA负载在MOF中，缓蚀剂呈现出对pH和Cl的响应性释放。高Cl^-浓度或酸性环境可加速BTA的释放。物理阻隔和BTA缓蚀剂的响应性释放赋予复合涂层主动/被动保护功能。在3.5wt.%NaCl溶液中浸泡40天后涂层仍呈现出稳定的耐腐蚀性。与二氧化硅涂层相比，BTA-MOF的引入显著提高耐蚀性。这项工作提出了一种环保、可持续的策略构筑响应性防腐涂层，并将扩大MOF在金属表面防护中的应用。

图1 不同pH和Cl-浓度下BTA缓蚀剂的响应释放

图2 BTA-MOF/SiO₂复合涂层微观结构及电化学分析

图3浸泡实验中不同涂层电化学参数的变化

图4浸泡实验后不同涂层的表面微观形貌

图5 电沉积法构筑BTA-MOF/SiO₂复合防腐涂层的优势及与其他涂层的比较

图6 BTA-MOF/SiO₂复合涂层的防护机制

总之，本文提出通过一种环保、可持续的一步电沉积工艺在铜上制备了具有响应性、主动/被动防腐功能的BTA-MOF/SiO₂复合涂层。涂层在3.5wt.% NaCl溶液中呈现出高耐蚀性。腐蚀电流密度降低至3.472×10⁻⁹ A•cm⁻²。耐蚀性的提高主要归因于涂层的物理屏障和BTA缓蚀剂从MOF容器中释放。这项工作为在金属上构建具有主动/被动保护的响应性高性能防腐涂层开辟了一种新的思路。