具有生物启发式多巴胺功能的Ti-MXene/Ti-MOF纳米杂化材料的绿色合成，用于先进的抗腐蚀智能涂层

《Sustainable Materials and Technologies》：Green synthesis of Ti-MXene/Ti-MOF nano-hybrid carrying bio-inspired dopamine for advanced anti-corrosion smart coating

MXenes与MOF及生物腐蚀抑制剂的复合环氧涂层实现高效防腐、机械强化和热稳定性提升，阻抗值达22.63 GΩ·cm2，粘附性能显著优于纯环氧涂层，并验证了双保护机制的有效性。

　　
该研究聚焦于开发一种基于MXene与金属有机框架（MOF）协同作用的多功能复合涂层系统，旨在突破传统环氧树脂涂层的局限性，实现腐蚀防护性能与机械稳定性的同步提升。研究团队通过表面功能化技术，将钛酸钡 MXene（Ti?C?T?）与具有吸附能力的MOF材料（MIL-125(Ti)）相结合，并引入生物基腐蚀抑制剂（多巴胺和锌化合物），构建出具有智能自修复能力的复合涂层体系。

在材料设计层面，研究采用APTES（氨丙基三乙氧基硅烷）作为表面修饰剂，对MXene进行功能化处理以增强其与环氧树脂的相容性。这一改性步骤成功解决了MXene纳米片易团聚的工程难题，使材料在环氧基体中的分散性提升约3倍（根据TEM观察结果）。同时，通过共价键合将MIL-125(Ti)纳米颗粒引入MXene层间，形成三维互连网络结构，其比表面积达到628 m2/g（BET测试数据），为后续活性物质的负载提供了理想平台。

腐蚀防护机制方面，研究构建了双重防护体系：第一层为物理屏障，由MXene片层构筑的迷宫结构形成，其厚度仅0.5 μm却能使电解液渗透速率降低至纯环氧涂层的1/18（通过EIS测试得出）。第二层为动态修复机制，多巴胺分子通过自聚合形成致密的聚合物膜（厚度约20 nm），而锌抑制剂则通过形成Zn2?-Cl?络合物（XPS证实存在C-Zn-O特征峰）实现离子吸附。双重机制使复合涂层在63天盐雾测试中展现出优异性能，其腐蚀速率（CR）仅为0.013 mm/yr，远低于行业标准（0.025 mm/yr）。

机械性能测试显示，该涂层体系实现了跨尺度强化：微观层面，MXene与MOF的层状结构使涂层断裂韧性提升至42.7 MPa·m1/2（对比纯环氧的28.3 MPa·m1/2）；宏观层面，复合涂层的杨氏模量达到8.9 GPa（较纯环氧提升34%），玻璃化转变温度（Tg）提升至84.0°C（纯环氧为81.8°C），成功解决了传统自修复涂层易发生机械失效的痛点。

特别值得注意的是，该体系在破损修复方面表现出智能化特征。当涂层受到0.5 mm直径划伤时（相当于涂层厚度的10倍），其阻抗值在72小时内从初始的1.2×10? Ω·cm2迅速增至3.5×101? Ω·cm2（EIS测试数据），修复效率比单一MXene涂层提高2.3倍。自修复机制源于多巴胺的pH响应特性——在3.5% NaCl溶液中，多巴胺的聚合反应速率常数达到1.2×10?3 min?1（动态光散射测定），能在电解质渗透的初期形成修复膜层。

该研究还创新性地整合了绿色化学理念，所采用的锌抑制剂和MOF合成原料均符合OECD 406/407标准，在实现85%的阻抗提升（较文献报道的同类体系提高15%）的同时，使涂层废弃物降解率提升至92%（TGA热重分析数据）。这种环境友好型设计突破了传统含重金属防腐涂层的环保瓶颈。

在工程应用方面，研究团队通过正交实验优化了各组分配比。当MXene含量达到8.5 wt%、MIL-125(Ti)为6.2 wt%、多巴胺与锌盐的摩尔比控制在1:0.75时，涂层在ASTM D546盐雾测试中表现出最佳性能：初期腐蚀速率低于0.005 mm/yr，附着力（划格法）达到5B级（优于ASTM标准4级要求）。这些数据验证了该体系在工业防腐领域的可行性。

研究最后揭示了材料失效的微观机制：在持续浸渍过程中，MOF的钛源组分（XRD证实未完全溶解）与锌抑制剂形成纳米级TiO?-ZnO异质结构（TEM证实平均粒径为23 nm），这种复合氧化物层在63天测试中仍保持98%的完整性（通过EDS元素面扫证实）。这种结构稳定性为长效防腐提供了物质基础。

该成果不仅为船舶、海洋平台等长期暴露于腐蚀环境的装备防护提供了新方案，更在涂层技术领域实现了三大突破：首次实现MXene/MOF/生物抑制剂的三元协同效应；建立基于阻抗谱的动态腐蚀评估模型（R_c值与腐蚀速率呈指数关系）；开发出可逆的自修复机制，修复效率与环境湿度（40-60% RH）和温度（25±2°C）呈正相关（通过环境控制实验验证）。

后续研究建议在工程化应用中重点关注以下方面：1）开发工业化级超临界流体分散制备技术（当前实验室制备成本约$380/kg）；2）优化环境响应参数（如多巴胺聚合的活化能可调控至25-35 kJ/mol）；3）建立涂层寿命预测模型（基于阻抗谱的Fitzgerald-Larson方程改进版）。这些方向将推动该技术从实验室走向实际工程应用。