上海电力大学ACIS：自修复MXene复合涂层设计策略及防护机制

金属腐蚀问题遍及电力、能源、交通、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。由于其操作简单、成本低、应用范围广，涂层技术是金属腐蚀防护的有效方法。然而，涂层中的裂纹和微孔等缺陷限制了长效防腐性能。因此，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/被动防腐功能的自修复涂层是实现金属表面长效防护的理想选择。

二维（2D）纳米材料已被广泛用于提高涂层的防腐性能，如石墨烯、石墨烯衍生物、二硫化钼（MoS₂）、氮化硼（BN）、层状双氢氧化物（LDH）和Ti₃C₂T_x MXene等。区别于其它二维材料，MXene因其可控表面化学特性、化学组成多样性（多种类MXene、非晶MXene及高熵MXene）、类金属导电性（高于GO）、强NIR吸收能力和高光热转换效率、表面氧化纳米颗粒增强效应、低摩擦系数及长磨损寿命，在金属表面防护领域具有潜在应用价值。

因此，结合MXene被动阻隔特性可构建具有主动防护功能的自修复复合涂层。在前期报道自修复MXene复合涂层研究基础上，系统总结高性能自修复MXene复合涂层的构建方法和分析自修复机制，对推动MXene在金属表面防护领域应用具有重要意义。

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。提出利用MXene与硅烷在铜表面构建防腐涂层揭示腐蚀防护机制（Composites Part B:Engineering 2022, 228: 109427）；基于Ti₃C₂T_x MXene表面电荷特性与LDH静电组装，构筑自修复MXene防腐涂层（Surface &Coatings Technology 2023, 463: 129551）；为最大化发挥MXene的阻隔性能，提出了层层喷涂构筑多层MXene/DTMS复合涂层，实现高盐环境下铝合金表面稳定防护（Diamond and Related Materials 2024, 141: 110696）；通过一步电沉积构筑仿生分级结构的MXene复合涂层，提出利用原位腐蚀观测实验揭示MXene涂层在酸性条件下的防护机制（Journal of Colloid and Interface Science 2024, 685: 865-878）；针对PEMFC双极板腐蚀问题，通过电沉积构建超薄MXene复合防腐涂层（Corrosion Science, 2024, 232: 112044）。针对MXene等二维材料在复合涂层中取向调控和表征困难等瓶颈问题，总结目前取向调控方法和量化取向的表征策略研究进展，指出结构-性能耦合关系解析难点（Progress in Organic Coatings 2023, 182: 107715）。同时系统总结了MXene区别于石墨烯、氮化硼及氧化石墨烯的独特优势，阐述MXene用于金属表面防护的原因（Composites Part B: Engineering 2024, 271: 111168）。

基于前期基础，系统总结了目前MXene自修复涂层设计策略及修复机制，近期在胶体界面国际权威期刊《Advances in Colloid and Interface Science》发表“Toward self-healing two dimensional MXene coatings for corrosion protection on metals: Design strategies and mechanisms ”综述论文。论文第一作者是上海电力大学环境与化学工程学院研究生马晓晴，通讯作者曹怀杰。

论文链接：http://doi.org /10.1016/j.cis.2024.103340

在这篇综述中，作者系统介绍了MXene自修复涂层的四种设计策略：Ce³⁺、LDH、缓蚀剂以及本征自修复聚合物协同构建自修复MXene复合涂层。分析了四种策略的优缺点。同时，针对目前MXene涂层的自修复过程表征策略进行总结：划痕区涂层微观结构演变、划伤涂层电化学、微区电化学、力学性能分析。另外，针对目前涂层自修复效率的评价方法进行归纳。最后，针对以上四种策略，讨论了对应的自修复机制，提出了MXene自修复涂层面临的挑战和发展前景。本综述旨在为设计高性能自修复MXene防腐涂层及扩展MXene的应用提供指导。

图1 自修复涂层

图2 MXene组成、结构及防腐/耐磨性质

图3自修复MXene复合涂层发展

图4 自修复MXene复合防腐涂层设计策略

表1涂层自修效率量化评价

表2 MXene涂层自修复过程表征策略

作者简介

马晓晴：上海电力大学环境与化学工程学院2023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2篇，获研究生国家奖学金、2024年第十七届全国节能减排社会实践与科技竞赛一等奖、中国国际大学生创新大赛（2024）上海赛区银奖、2024年第十四届“挑战杯”上海市大学生创业计划竞赛铜奖、2024年 “中天科技杯”第一届上海市大学生节能减排社会实践与科技竞赛一等奖、2024年第十一届上海市大学生新材料创新创意大赛一等奖、2024年上海市“熹贾杯”最具商业化潜力大赛一等奖。