石墨烯超級防腐塗層研究取得進展

海洋腐蝕問題是導致海上設備失效的主要原因之一，也是全球腐蝕的難題。二維材料，特別是石墨烯的發現為開發新型海洋設備重防腐塗層提供了新的思路。石墨烯具有單原子層結構及分子不可滲透性，被認為是最薄的防護材料。然而，人工製備的石墨烯容易再團聚，無法充分發揮石墨烯單片層的優異特性。此外，石墨烯是導電碳材料，它具有較強的腐蝕促進活性。團聚的石墨烯會加劇聚合物塗層的局部微電偶腐蝕導致塗層破損，而在破損處，石墨烯將極易誘發其自身的腐蝕促進活性，並以最快的速度釋放電子，加速金屬基體的腐蝕，這導致石墨稀在防腐領域的商業化和規模化應用進程極為艱難。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進塗料與粘合劑余海斌團隊針對石墨烯/聚合物複合防腐塗層在破損後加速金屬基體腐蝕這一隱患，採用氮化硼納米點（BNNDs）作為商業化石墨烯的分散劑，利用其原子結構和表面化學性能實現其在聚合物中的均勻分散（圖1）。通過化學方法獲得的BNNDs通常含有豐富的親水基團（如羧基和羥基）。這些親水基團可以在水中進行電離，賦予BNNDs優異的溶解性。BNNDs被認為是單層或半層絕緣氮化硼納米片，橫向尺寸小於50nm。BNNDs通過強烈的π-π作用吸附於石墨烯表面，以增加其分散性。同時，BNNDs的存在屏蔽了石墨烯的導電特性，有效抑制了其陰極腐蝕促進活性（圖2）。電化學測試表明，BNNDs改性的石墨烯材料具有優良的防護性能，複合塗層的腐蝕速率相對空白塗層下降了280倍，塗層電阻增加了2個數量級。鑒於BNNDs不會影響石墨烯的本徵特性，因此，BNNDs分散石墨烯有望快速推進商業化石墨烯在防腐領域的應用。

相關工作發表在ACS Sustain. Chem. Eng.（2019. DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b01796，Super-anticorrosive graphene nanosheets through π deposition of boron nitride nanodots），並獲得寧波市石墨烯重大專項項目（2016S1003）的資助。

圖1（a）BNNDs在石墨烯表面的沉積過程，（b）BNNDs@GNs複合片，（c）BNNDs及石墨烯的分散行為，（d）改性石墨烯聚合物塗層的屏蔽性

圖2 不同塗層體系的腐蝕機理：（a）純環氧塗層，（b-e）改性前後的石墨烯/環氧塗層

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

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