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河北地質(zhì)大學(xué)盧昶雨、江蘇科技大學(xué)郭峰/施偉龍課題組 Small：基于黑色g-C3N4納米片的光熱自修復(fù)防污防腐涂層的構(gòu)筑

2025-01-15 來源：高分子科技

有機(jī)涂層是一種具有成本效益的有效抗腐蝕策略，然而，在使用過程中，涂層不可避免地會(huì)遭受到磨損或者劃傷，嚴(yán)重限制了涂層的實(shí)際應(yīng)用。因此，急切地需要開發(fā)一種具有自修復(fù)性能的抗腐蝕涂層。光熱-自修復(fù)涂層由于其遠(yuǎn)程可控性和局部修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，從而受到廣泛關(guān)注。

石墨氮化碳（g-C₃N₄或CN）作為一種典型的二維層壓納米材料，其在層間產(chǎn)生的迷宮效應(yīng)能夠阻礙腐蝕離子與金屬基底接觸，達(dá)到延緩腐蝕的目的。同時(shí)，g-C₃N₄具有制備簡單，成本低，無毒性且溫度的優(yōu)點(diǎn)，是一種具有潛力的防腐填料。然而，g-C₃N₄對(duì)于可見光吸收差等缺點(diǎn)限制了其在光熱方面的應(yīng)用。聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度低及在光熱條件下，分子間氫鍵的斷裂和重組可刺激PDMS鏈的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到宏觀的涂層自愈合，從而受到廣泛應(yīng)用。在本文中，通過一鍋煅燒法合成黑色g-C₃N₄(BCN)材料，以提高其光熱轉(zhuǎn)換能力，從而在光照射下促進(jìn)反應(yīng)溫度提升，使涂層具有光熱自修復(fù)能力。

基于此，河北地質(zhì)大學(xué)盧昶雨&江蘇科技大學(xué)郭峰/施偉龍副教授課題組以黑色g-C₃N₄（BCN）作為涂層填料，結(jié)合PDMS，制備BCN/PDMS復(fù)合涂層，實(shí)現(xiàn)高效的光熱自修復(fù)防腐功能。圖1顯示該材料的成功合成，并且沒有改變g-C₃N₄納米片的形貌。圖2為BCN/PDMS復(fù)合涂層的制備過程以及涂層的穩(wěn)定性、耐磨性等分析測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BCN/PDMS復(fù)合涂層穩(wěn)定并且堅(jiān)固耐磨性都得到了提升。隨后，對(duì)BCN/PDMS復(fù)合涂層進(jìn)行抗腐蝕性能測試，圖3表明，在經(jīng)過28天的浸泡后，BCN/PDMS復(fù)合涂層展示出良好的抗腐蝕性能，其中BCN-4/PDMS復(fù)合涂層復(fù)合涂層在第28天時(shí)，其阻抗仍然能保持在10⁷ Ω·cm^-2。鹽霧試驗(yàn)表明該復(fù)合涂層的抗腐蝕長期穩(wěn)定性良好（圖4）。此外，在300W氙燈的照射下驗(yàn)證涂層的光熱性能（圖5），在5分鐘的照射時(shí)間后，BCN-4/PDMS復(fù)合涂層升溫高于空白PDMS涂層及純相CN/PDMS涂層。采用涂層的劃傷愈合實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其自修復(fù)性能（圖6）。通過圖7證明了BCN材料增強(qiáng)了光吸收和光生電荷分離的能力，光生電荷的大量流入可以巧妙地流向碳鋼的陰極區(qū)域，從而大大提高其典型的耐腐蝕能力。利用ESR測試以及抗藻實(shí)驗(yàn)（圖8），證明BCN/PDMS復(fù)合涂層能夠在光照下產(chǎn)生ROS，擁有抗藻能力。結(jié)合上述基本表征和實(shí)驗(yàn)分析，在圖9展示了BCN/PDMS防腐復(fù)合涂層實(shí)現(xiàn)光熱自愈合和抗藻的機(jī)理。層間二維材料BCN納米片產(chǎn)生的迷宮效應(yīng)增加了腐蝕介質(zhì)到達(dá)金屬基底的路徑，同時(shí)光生電荷的分離效率提高，有效延緩腐蝕；BCN/PDMS涂層在光照下能產(chǎn)生強(qiáng)氧化自由基，有效抑制藻類的生長和附著。該研究為開發(fā)基于g-C₃N₄的多功能涂層保護(hù)金屬基底提供有效的設(shè)計(jì)思路，具有巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。

該工作以“Photo-thermal self-healing black g-C₃N₄ nanosheets-based coatings: A novel approach for enhanced anti-corrosion and anti-biofouling protection”為題發(fā)表在《Small》期刊(Small 2024, 2411729, DOI: 10.1002/smll.202411729) 。碩士研究生張順紅為本文第一作者，河北地質(zhì)大學(xué)盧昶雨副教授，江蘇科技大學(xué)郭峰副教授和施偉龍副教授為本文通訊作者。

圖1(a) BCN材料的合成過程示意圖。(b) CN和(c) BCN-4樣品的SEM圖像。CN和BCN-4的(d) XRD圖譜和(e) FT-IR光譜。CN和BCN-4的(f) XPS總譜和(g) C 1s、(h) N 1s、(i) O 1s的高分辨率XPS光譜。(j)合成粉末樣品的數(shù)碼照片。

圖2(a) BCN/PDMS 復(fù)合涂層的形成過程示意圖。(b) BCN-4/PDMS復(fù)合涂層的表面和橫截面SEM圖像。(d)涂層的接觸角數(shù)據(jù)。(e) BCN/PDMS涂層的粘合應(yīng)力變化。(f) BCN-4/PDMS復(fù)合涂層摩擦后的磨損測試。(g) 涂層制備樣品的熱重曲線。

圖3 在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡 1、7、14、21和28天后制備的涂層的(a)OCP值、(b)塔菲爾極化曲線和(c)相應(yīng)的制備涂層的電化學(xué)參數(shù)。PDMS、CN/PDMS和BCN-4/PDMS涂層在3.5 wt% NaCl溶液中不同時(shí)間(1天和28天)的(d、g)奈奎斯特圖、(e、h)bode圖和(f、i)相角圖。

圖4 鹽霧試驗(yàn)24、48和72小時(shí)后PDMS涂層(a₁、a₂和a₃)、CN/PDMS 涂層(b₁、b₂和b₃)和 BCN-4/PDMS涂層(c₁、c₂和c₃)的光學(xué)照片。

圖5 (a)對(duì)制備好的涂層進(jìn)行光熱測試的示意圖。(b) PDMS、CN/PDMS和BCN-4/PDMS涂層在氙燈照射下的溫度變化曲線和 (c)紅外熱成像照片。(d)在氙燈照射條件下BCN-4/PDMS復(fù)合涂層的光熱轉(zhuǎn)換效率。

圖6 (a₁, a₂) PDMS、(b₁, b₂) CN/PDMS、(c₁, c₂) BCN-1/PDMS、(d₁, d₂) BCN-2/PDMS、(e₁, e₂) BCN-3/PDMS、(f₁, f₂) BCN-4/PDMS和(g₁, g₂) BCN-5/PDMS復(fù)合涂層劃痕和愈合的SEM圖像。(h) BCN/PDMS 涂層的自修復(fù)機(jī)制示意圖。

圖7 CN和BCN-4樣品的(a)紫外-可見光漫反射光譜、(b)帶隙值、(c) VB-XPS 光譜、(d)能級(jí)、(e) PL光譜和(f)瞬態(tài)光電流響應(yīng)。

圖8 (a) BCN/PDMS涂層及其防生物污損行為示意圖。小球藻在(b) PDMS、(c) CN/PDMS 和 (d) BCN-4/PDMS涂層上附著結(jié)果的SEM圖像；BCN-4/PDMS涂層上(e) DMPO-·OH和 (f) DMPO-·O₂^-的ESR光譜。

圖9 BCN/PDMS 復(fù)合涂層的防腐/防污機(jī)理示意圖。

論文鏈接地址：https://doi.org/10.1002/smll.202411729

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（責(zé)任編輯：xu）

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