浙大张庆华教授团队AM：“砖&泥”仿珍珠纳米异质结策略构筑智能长效防污耐腐蚀涂层

全世界范围内，腐蚀和海洋生物污损给海洋工业和海事活动带来严重影响。相比较杀灭型防污涂层通常会对海洋环境造成不利影响。有机硅涂层因具有低表面能、低弹性模量、表面光滑等特性，使得污损生物不易粘附或附着不牢，仅通过物理作用即可达到防污目的，成为当前最具前景的环保型脱污涂层(FRCs)。然而，其仍存在 静态防污能力不足 、 机械强度不高 与 附着力低 等问题，这极大地限制了其在海洋工业的应用。目前，通过加入天然防污剂来增强涂层的静态防污能力，引入二维纳米材料来提高机械强度与防腐性能，对聚氨酯或聚脲基体进行改性来增强粘接性能。 但值得注意的是，由于溶液挥发导致的针孔问题、无机填料的不相容性常常被忽视，这可能进一步加剧生物结垢和腐蚀的发生 ，因此开发新型防污耐腐蚀一体化涂层以应对日益严重的海洋生物污损与腐蚀极具挑战性。

受珍珠“砖&泥”结构的启发，将改性后的MoS2/MXene异质结作为“砖”复合到作为“泥”的聚脲改性有机硅基体(Pun)中，制备出具有持久防腐特性和智能防污模式的仿生珍珠复合涂层(Pun-HJTx) （图1）。一方面，MoS2/MXene上的羟基可与Pun主链形成氢键作用，进而作为提供了物理交联位点的“砖”，提高了涂层的交联密度，减轻了因溶剂蒸发而产生的针孔等缺陷，并使涂层具有优异的防腐、防污和自愈性能。另一方面，作为“泥”的Pun由柔性基团(醚基团和硅氧烷基团)和刚性基团(苯环和尿素基团)组成，兼具刚性和柔韧特性。进一步通过氢键作用填补不同“砖”块间的空间，有效防止MoS2/MXene的直接接触，大幅改善MoS2/MXene的纳米聚集程度，从而形成独特的“砖&泥”结构。

图1仿生珍珠纳米复合涂层的设计原理

通过对纳米复合涂层的防腐蚀特性进行系统表征，相对于商用PDMS，仿生珍珠复合涂层(Pun-HJTx)表现出优异的防腐蚀特性，其具备较低的腐蚀敏感度的同时，对各类腐蚀介质还具备极强的抵御能力，其中Pun-HJT0.5的表现出比商用PDMS高出4个数量级的防腐蚀性能。这主要是由于聚合物链与MoS2/MXene形成了仿生的“砖&泥”结构，在腐蚀介质丰富且活跃的界面层中提供了强大的协同防腐机制。并且由于氢键的存在，“砖&泥”结构使得涂层更加致密，增强了涂层对界面腐蚀介质的隔离效果。此外，如果腐蚀介质进一步渗透，在“砖&泥”结构中，充当“砖”的异质结将呈现出迷宫效应，起到物理屏障的作用的同时并发生PSR反应，从而增强涂层的耐腐蚀性（图2）。

在防污性能方面，异质结构的加入赋予了涂层出色的智能防污性能，实现了“防御”和“进攻”模式之间的无缝转换，以满足不同的防污要求（图3）。此外，该研究还展示了涂层的自修复性能，纳米复合涂层利用MoS2/MXene作为激活框架，使得Pun-HJTx表现出相对于商用PDMS更强大机械性能的同时，还赋予了其多源自愈能力，最高自修复率可达99.46%（图4）。

图2 仿生珍珠涂层的防腐蚀性能与防腐蚀机理

图3 仿生珍珠涂层的防污抗腐蚀性能

图4 仿生珍珠纳米复合涂层的机械性能、自修复性能及其机理

相关研究成果以“Pearl-Inspired Intelligent Marine Hetero Nanocomposite Coating Based on “Brick&Mortar” Strategy: Anti-corrosion Durability and Switchable Antifouling”为题正式发表在期刊Advanced Materials上，论文第一作者为浙江大学硕士研究生 刘家欢，通讯作者为浙江大学衢州研究院 高峰副研究员与浙江大学 张庆华教授。

论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202401982

博士后招聘信息

浙江大学张庆华教授团队主要从事界面功能材料与新能源材料的设计制备与应用研究，构筑了一系列新型仿生界面功能材料与锂电材料，建立了界面功能材料的表面性能与其结构、化学组成之间的关联机制。基于多尺度结构的二元协同效应与精确调控，实现了材料表面物理化学性能的显著提升，拓展了在自清洁涂层、分离膜改性、海洋防污、锂电池与新能源等领域的应用。在浙江大学化工学院和浙江大学衢州研究院建有涵盖“聚合物合成-加工改性-结构表征-中试放大”等完整的实验平台。 课题组网页：
https://person.zju.edu.cn/0007280

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来源：高分子科学前沿

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