《Surfaces and Interfaces》：Ti?C? MXene–Polymer Nanocomposites for Corrosion and Biofouling Protection: Synthesis Strategies, Mechanisms, and Future Directions
编辑推荐：
MXene-polymer纳米复合材料通过表面修饰和异原子掺杂显著提升抗腐蚀与生物污垢性能，较传统涂层降低腐蚀电流密度10?3级，阻抗模量达10?–10?Ω·cm2，防护效率达90–99%。研究对比了HF蚀刻、电化学合成等制备工艺的环境影响，提出溶液共混、逐层组装及3D打印等均匀分散策略，同时探讨MXene氧化稳定性及规模化生产挑战。
Jeeva Jothi Kumaravel|Geetha Anbalagan|Balachandran Subramanian
摘要
MXene-聚合物纳米复合材料作为一种新型保护材料，在恶劣环境中有效减缓腐蚀和生物污损现象，相较于传统的聚合物和石墨烯基涂层具有显著优势。得益于其二维结构、可调的表面化学性质以及高电导率，MXene在整合到聚合物基体中后能够提供更强的屏障性能、更好的界面粘附力以及活跃的电化学保护作用。本文综述了MXene-聚合物复合材料的最新研究进展，重点探讨了表面官能团（–OH、–O 和 –F）及杂原子掺杂对电化学稳定性、离子传输调控、电荷转移阻力以及聚合物相容性的影响。与传统聚合物和石墨烯基涂层相比，MXene-聚合物纳米复合材料在盐水和海洋模拟条件下的腐蚀电流密度降低了1至3个数量级，阻抗模量介于10?–10? Ω·cm2之间，防护效率达到90–99%。从传统的HF蚀刻方法转向电化学合成和无氟合成技术，有助于减少有害废物的产生，提升表面化学控制能力，并增强环境的可持续性。文章还介绍了多种制备策略，包括溶液混合、逐层组装和3D打印技术，这些方法能够实现Ti?C?的均匀分散并在聚合物框架内形成强界面结合。此外，MXene的屏障效应、自修复性能、疏水性以及对电化学和微生物的强抗性共同作用，有效抑制了离子扩散和电荷转移，确保了材料在极端pH条件下的长期稳定性。不过，MXene的氧化稳定性、大规模分散性以及涂层可扩展性仍是亟待解决的问题。本文为下一代可持续MXene基保护涂层的设计提供了指导，并指出了未来的研究方向，以满足工业、海洋和生物医学应用中的长期可靠性能需求。
章节摘录
腐蚀与污损挑战概述
腐蚀是一种由热力学驱动的持续降解现象，严重限制了金属材料的机械强度、功能可靠性和使用寿命。其后果不仅限于材料失效，还涉及安全隐患、经济损失以及多个关键领域（如海洋基础设施、能源系统、交通运输、生物医学设备和工业制造）的环境问题[1]。
MXene（Ti?C?）的合成方法
传统的Ti?C?合成方法因其高产率和快速反应速率而被广泛采用。Naguib等人于2012年提出了一种从MAX相（M?+?AX?，其中M代表过渡金属，A表示III/IV族元素，X代表碳和/或氮）前驱体中选择性提取A层（通常为III/IV族元素）的工艺[21]。常用的蚀刻剂是氢氟酸（HF），也可通过现场制备HF来实现这一目标。
Ti?C?-聚合物纳米复合材料
Ti?C?因其能够提升材料的机械性能、环境可持续性和多功能性而被应用于聚合物基体中。通过精细的表面改性处理，Ti?C?的独特二维结构和表面化学性质使其成为复杂材料应用的理想选择。为确保Ti?C?在复合材料中的均匀分布，通常会采取相应的改性措施。
海洋产业：腐蚀与生物污损防护
海洋腐蚀和生物污损严重阻碍了海洋产业的发展。传统的单一功能涂层（如防污或防腐涂层）已无法满足当前恶劣环境下的需求。当水生生物在物体或技术设备的潮湿表面上滋生时，就会发生生物污损，形成生物膜或生物群落。
屏障效应与扩散阻抗
Ti?C?-聚合物纳米复合材料中的屏障保护技术利用了Ti?C?的独特性质及其与聚合物基体的协同作用来防止腐蚀。该保护机制通过建立物理屏障将金属与腐蚀性物质隔离开来。当金属暴露在水分和氧气中时，会发生氧化（阳极处电子流失）和还原反应，从而导致腐蚀。
亲水性与光滑表面
亲水表面具有很强的吸水性，在接触水分后能形成稳定均匀的水膜，作为物理屏障防止污染物与基底直接接触。水膜降低了范德华力和静电作用，这两者都对粘附过程至关重要。
功能涂层与薄膜
由Ti?C?增强的聚合物纳米复合材料制成的功能涂层和薄膜，彻底改变了需要轻质高性能材料的应用领域。Ti?C?薄膜具备优异的电导率、机械强度和热稳定性等特性。这些特性使得Ti?C?与聚合物结合后形成适用于多种应用的功能涂层，例如防腐、耐磨和阻燃等。长期稳定性与环境耐久性
Ti?C?/聚合物纳米复合材料的长期稳定性对其在多种应用中的性能和适用性至关重要。然而，Ti?C?易受环境因素（如水分和氧气）的影响而发生氧化和性能下降[245]。通过将Ti?C?封装在聚合物基体中，可以提供保护层，从而提升其稳定性。
新型功能化方法
对Ti?C?表面进行功能化处理可显著提升其与聚合物基体的相容性，改善分散性和界面相互作用。例如，将Ti?C?与聚苯乙烯结合的改性研究表明，该复合材料的阻燃性能得到提升[141]。通过将有机官能团共价结合到无机Ti?C?片层上，可以创造出兼具多种特性的混合结构。主要研究结果总结
本文系统评估了Ti?C?增强型聚合物纳米复合材料在防腐和抗污方面的最新进展，重点关注了性能指标、作用机理及实际应用潜力。在不同聚合物基体中，Ti?C?的加入均显著降低了腐蚀电流密度（10?1–10?3数量级），并提高了阻抗和涂层抗性（1至3个数量级），验证了其作为先进保护材料的潜力。
CRediT作者贡献声明
Jeeva Jothi Kumaravel：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、验证、项目管理、实验设计、数据分析及概念构建。Geetha Anbalagan：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计及数据分析。Balachandran Subramanian：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、项目监督、数据分析及概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
