综述：MXenes在碳捕获与储存中的作用：创新与环境影响

《Sustainable Materials and Technologies》：The role of MXenes in carbon capture and storage: Innovations and environmental impact

抗污自抛光涂层系统开发及其在海洋环境中的长效防护性能研究。通过环氧聚酰胺底漆与乙烯-醋酸乙烯/松香顶涂复合LC-ZIF-8@Ag-HA纳米材料，实现抗腐蚀（113天盐雾测试）、抗菌（98.77%抑制率）及抗污（完全抑制 barnacle生长）三重功能，结合银掺杂羟基磷灰石与金属有机框架的协同效应，为海洋装备提供可持续防护方案。

　　
海洋环境中的生物污损与金属腐蚀问题长期困扰船舶工业及海洋工程领域。传统防污涂料多依赖重金属缓蚀剂或生物碱释放技术，但存在环境毒性高、缓蚀效率衰减快等缺陷。近期伊朗聚合物与石油化学研究院团队通过创新性复合纳米材料设计，成功开发出具备自抛光功能的智能涂层系统，为海洋装备防护提供了全新解决方案。

该涂层系统采用双层复合结构设计，底层为环氧聚酰胺锌磷酸底漆，表层为乙烯氯共聚物-松香复合涂层。核心创新在于将生物活性羟基磷灰石（HA）与银掺杂形成二维纳米片，再通过负载半胱氨酸修饰的金属有机框架（LC-ZIF-8）构建三级复合结构（LC-ZIF-8@Ag-HA）。这种纳米复合物兼具离子缓蚀、抗菌抑菌和自抛光特性，实现了多重防护机制的协同作用。

在材料制备方面，研究团队首先通过共沉淀法合成银掺杂羟基磷灰石纳米片（Ag-HA），其晶体结构经XRD证实仍保持六方晶系特征，SEM显示厚度约50nm的片状结构。随后将ZIF-8纳米颗粒以3D框架形式负载于Ag-HA表面，形成多级孔道结构。通过共价键合将含硫官能团的L-半胱氨酸固定在ZIF-8孔道内壁，构建出具有定向缓蚀释放功能的LC-ZIF-8@Ag-HA复合体系。

结构表征显示，该纳米复合物具有独特的分级结构：Ag-HA提供刚性支撑骨架，ZIF-8构建微孔缓释载体，LC-ZIF-8@Ag-HA整体比表面积达428m2/g。FTIR谱图中，1132cm?1处的磷酸根特征峰与1383cm?1处的羟基峰清晰可见，ZIF-8特有的骨架振动峰在742cm?1出现。TEM图像证实ZIF-8纳米颗粒均匀分散在Ag-HA片层间，形成协同防护网络。

在抗菌性能方面，该涂层展现出显著的多重抑制效应。针对常见的海洋致病菌，其抑菌圈直径达8.11-9.12mm，对金黄色葡萄球菌的抑制率高达98.77%。这种高效抑菌源于三重作用机制：银离子的广谱杀菌效应、半胱氨酸的细胞膜损伤作用，以及ZIF-8的物理屏障效应。特别值得关注的是，银掺杂的羟基磷灰石在抗菌过程中不会释放有害金属离子，解决了传统银基涂层的生态风险。

抗污损能力测试显示，该涂层在波斯湾环境（3.5% NaCl）中浸没170天，完全抑制了藤壶、海藻等生物附着。其自抛光机制源于表面活性剂包覆的松香树脂层，在盐雾腐蚀作用下可缓慢释放形成保护膜，经盐雾试验80天后仍保持完整表面结构。对比实验表明，传统有机硅防污涂层在相同条件下出现明显污损，而新型涂层通过周期性自更新实现了长期保护。

机械性能测试证实该涂层的工程适用性。在3800g划格试验中，涂层未出现裂纹，附着力经加速老化后仍提升22%。特别设计的双硬度体系（底层硬度3H，顶层5H）在保证抗划伤性能的同时，使涂层弯曲半径达到12mm，满足船舶结构复杂曲面施工需求。耐盐雾性能测试显示，经113天3.5% NaCl浸泡后，涂层阻抗值仍保持8.86mS/cm，显著优于行业标准（>7mS/cm）。

经济与环境效益分析表明，该涂层可使船舶维护周期从18个月延长至5年，单艘船舶年维护成本降低约$2.3万。其生物降解率经OECD测试达到94.5%，远优于国际标准要求（≥85%）。在 Persian Gulf 的实地监测中，应用该涂层的海上输油管道年腐蚀速率从0.25mm/年降至0.07mm/年，达到NS 412标准认证要求。

该研究突破了传统防污涂层技术瓶颈：首先通过二维纳米结构设计，将缓蚀剂L-半胱氨酸的缓蚀效率提升至89.7%（ASTM D1176标准），较传统有机胺缓蚀剂提高40%；其次创新性整合抗菌与抗污损能力，实现单一涂层多重防护；最后通过自抛光机制，使涂层寿命延长至常规产品的3倍以上。这种技术路线有效解决了海洋工程装备"重防护、轻维护"的行业痛点。

从技术发展角度看，该涂层系统开创了金属有机框架（MOF）在工业涂料中的应用新范式。通过调控ZIF-8孔道尺寸（0.3-0.5nm）与表面电荷（-25mV），实现了缓蚀剂缓释速率的精准控制（0.15mg/cm2·day）。特别设计的Ag-HA/ZIF-8异质结构，使涂层同时具备物理阻隔（厚度8μm）和离子缓蚀（Cl?扩散系数降低至2.1×10?13 cm2/s）双重机制。

在产业化方面，研究团队已建立规模化制备工艺：采用溶剂热法连续生产Ag-HA纳米片（批次间差异<5%），通过原位聚合实现ZIF-8负载率92.3±1.8%，LC负载量达8.7wt%。生产工艺经优化后，单位成本降低至$85/m2，具备工业化推广潜力。目前该技术已通过ISO 12944-9腐蚀防护认证，并在伊朗阿巴丹港海上平台完成中试验证。

未来技术发展方向包括：开发基于MOF的可降解防污剂，研究不同pH环境下缓蚀剂释放动力学，以及拓展至海上风电基础等复杂工程应用。材料基因组学技术的引入，有望通过高通量筛选实现更优复合比例设计。环境友好性方面，正探索生物基MOF与生物降解树脂的集成应用。

该涂层系统的成功研发，标志着海洋防护技术从单一功能向智能多功能体系跨越。其创新点在于：①构建"物理阻隔-离子缓蚀-化学抑制"三级防护网络；②实现抗菌（>98%）、抗污损（>95%）、抗腐蚀（>80%）三重性能协同；③开发自修复自抛光机制延长服役周期。这些突破为海洋装备长效防护提供了可靠技术支撑，具有显著的经济价值和社会效益。

研究团队下一步将开展长期海洋环境暴露试验（>3年），重点评估涂层在极端温变（-20℃~60℃）和化学腐蚀（H2S浓度>50ppm）条件下的稳定性。同时计划与船级社合作，推动该技术纳入国际船级规范体系。在产业化推进方面，正与当地涂料企业合作开发专用喷涂设备，预计2026年可实现年产5000吨智能防污涂层的生产能力。

这项研究不仅填补了MOF材料在工业涂料中的空白，更为解决海洋环境中的多重防护难题提供了新思路。通过材料基因组工程与仿生学设计的深度融合，团队成功将生物矿化材料（羟基磷灰石）与功能化MOF（ZIF-8）进行协同设计，创造出具有自主知识产权的纳米防护体系。这种创新方法对推动海洋工程装备的绿色化、智能化发展具有重要借鉴意义。