上海电力大学ACIS：面向清洁新型能源系统中金属表面防护用MXene涂层设计策略及防护机制

随着清洁新型能源及储能电池（海上风电、质子交换膜燃料电池PEMFC、水性锌离子电池AZIBs、锂离子电池LIBs等）的快速发展，特殊环境中金属的腐蚀问题引起了人们的广泛关注。能源系统中金属腐蚀防护可降低经济损失、运维成本，减少能耗，保障能源高效转换和供给安全。

二维（2D）纳米材料已被广泛用于提高涂层的防腐性能，如石墨烯、石墨烯衍生物、二硫化钼（MoS 2）、氮化硼（BN）、层状双氢氧化物（LDH）和Ti 3C 2T x MXene等。区别于其它二维材料，MXene因其可控表面化学特性、化学组成多样性（多种类MXene、非晶MXene及高熵MXene）、类金属导电性（高于GO）、强NIR吸收能力和高光热转换效率、表面氧化纳米颗粒增强效应、低摩擦系数及长磨损寿命，在清洁新型能源及储能电池系统金属表面防护领域具有潜在应用价值。

因此，基于MXene强阻隔特性及独特的物理化学性质，利用环氧树脂、聚氨酯、导电聚合物、硅烷、金属等，可构建面向特殊服役环境下金属表面防护用新型复合涂层。然而，与传统的腐蚀环境不同，能源系统中的金属材料特殊服役环境对MXene防护涂层的设计提出了更高的要求。在前期报道的研究基础上，系统总结面向清洁新型能源及储能电池系统（海上风电、PEMFC、AZIBs、LIBs等）中金属表面防护用MXene复合涂层的构建方法和分析防护机制，对推动MXene在清洁能源、储能电池领域中的应用具有重要意义。

上海电力大学、上海市电力材料防护与新材料重点实验室曹怀杰近年来围绕MXene复合防腐涂层开展研究。针对海洋环境下金属腐蚀问题，提出MXene/巯基硅烷涂层、MXene/LDH自修复涂层、多层MXene/DTMS复合防腐涂层；针对PEMFCs环境下金属双极板腐蚀问题，提出电沉积构筑仿生结构化MXene复合涂层和超薄MXene复合防腐涂层，并引入原位腐蚀观测系统揭示MXene涂层的防护机制；针对MXene等二维材料在复合涂层中取向调控和表征困难等瓶颈问题，总结目前取向调控方法和量化取向的表征策略研究进展，指出结构-性能耦合关系解析难点；同时系统总结了MXene区别于石墨烯、氮化硼及氧化石墨烯的独特优势，阐述MXene用于金属表面防护的原因及MXene自修复涂层设计策略及修复机制。

基于前期基础，系统总结了目前清洁新型能源及储能电池中金属表面防护用MXene涂层设计策略及防护机制，近期在胶体界面国际权威期刊《 Advances in Colloid and Interface Science》发表“Emerging two dimensional MXene for corrosion protection in new energy systems: Design and mechanisms”综述论文。论文第一作者是上海电力大学环境与化学工程学院2023级研究生龚保龙，通讯作者曹怀杰。

在这篇综述中，作者系统介绍了深海环境涂层腐蚀、PEMFC环境下金属双极板腐蚀、AZIBs环境下Zn负极腐蚀及LIBs中金属集流体腐蚀问题；介绍MXene的物理化学性质、不同制备方法、氧化失效及MXene应用于金属表面防护的优势；而后，针对深海环境、PEMFC双极板、AZIBs环境下Zn负极及LIBs集流体表面防护用MXene复合涂层的制备方法进行了详细总结，并归纳了其防护机制；最后，提出了目前MXene涂层在能源系统金属表面防护中面临的挑战和发展前景。本综述旨在为设计面向清洁能源、储能电池系统中金属表面防护用MXene复合涂层及拓展MXene的应用提供指导。

在深海环境中，MXene/环氧树脂复合涂层体现出优异防腐性能。MXene在环氧中的取向分布、MXene/环氧树脂复合涂层致密性及涂层与金属基体的结合强度对腐蚀防护性能影响较大；针对PEMFC环境中金属双极板防护涂层，MXene/导电聚合物（聚吡咯等）及超薄MXene复合涂层是理想选择。同时，复合涂层需兼顾防腐和导电性；针对AZIBs系统Zn负极表面防护，MXene薄膜及MXene/金属复合涂层可解决锌枝晶及腐蚀问题。在LIBs环境中，MXene薄膜及超薄MXene复合防腐涂层可抑制铝/铜集流体腐蚀。如何设计新型复合涂层，兼顾金属表面高防护性能和能源系统使用性能以及明确MXene在特殊环境中的作用机制仍是后续研究的方向。

图1MXene涂层在能源系统金属表面防护领域中的应用

图2深海环境下涂层腐蚀防护过程

图3质子交换膜燃料电池环境中金属双极板腐蚀

图4水系锌离子电池环境中Zn负极的腐蚀

图5锂离子电池铝集流体的腐蚀

图6锂离子电池铜集流体的腐蚀

图7MXene结构及化学特性

图8深海环境、质子交换膜燃料电池、水系锌离子电池及锂离子电池环境下金属表面防护用MXene复合涂层研究进展

图9MXene用于清洁新型能源及储能电池系统中金属表面防护的优势

作者简介

龚保龙：上海电力大学环境与化学工程学院2023级硕士研究生，导师曹怀杰。研究方向为MXene防腐涂层。发表SCI论文4篇，申请专利2项，获2024年第十七届全国节能减排社会实践与科技竞赛一等奖、中国国际大学生创新大赛（2024）上海赛区银奖、2024年第十四届“挑战杯”上海市大学生创业计划竞赛铜奖、2024年 “中天科技杯”第一届上海市大学生节能减排社会实践与科技竞赛一等奖、2023年上海市大学生创造杯竞赛二等奖。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cis.2024.103373

来源：高分子科学前沿

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