北工商樊保民/北化徐斌教授《ASS》：巨型对离子(MXene)掺杂构建持久电活性囊泡型聚吡咯防护涂层

2023-10-16 来源：高分子科技

1977年，导电聚合物的发现打破了“塑料不导电”的传统观念，其被广泛应用于生物传感器、能量储存与转换、电磁屏蔽、导电织物和腐蚀防护等方面。聚吡咯（PPy）作为最具代表性的导电聚合物之一，可以直接通过电化学方法（电聚合）制备，用作防护涂层时可通过物理屏蔽以及与电活性相关的阳极保护效应。然而，电聚合产物的本征多孔结构、粘附力差以及电活性衰减迅速等因素直接限制作为涂层材料的实际价值。因此，有必要采用适当措施减少电聚合涂层固有缺陷和并提升电活性以长效发挥防护效应。

鉴于此，本团队在前期构建的十二烷基硫酸钠（SDS）长效稳定Ti₃C₂T_x-MXene胶体溶液的基础上（Adv. Sci., 2023, 10: 2300273），提出SDS稳定二维Ti₃C₂T_x，作为难以脱掺的“巨型”对离子原位掺杂电聚合PPy涂层；基于溶液中MXene表面的盈余负电荷长效稳定PPy分子链上的氧化位点，使涂层长期处于掺杂态（电活性高），充分发挥阳极保护效应使铜基底保持钝化而高效缓蚀。

图1. PPy-STi涂层制备的流程示意图。

实验数据表明，MXene的掺杂可以有效的提升涂层（PPy-Ti）的导电性及粘附强度。表面活性剂SDS的掺杂虽然会让涂层（PPy-S）粘附力下降，但是复合涂层PPy-STi保持了长期的电活性和粘附强度。

图2. 各涂层的粘附强度和电导率。

电化学和腐蚀后形貌测试结果表明，PPy-STi涂层可以依靠优异的物理屏障和长效的阳极保护效果来避免铜基底受到腐蚀介质的侵蚀。

图3. PPy-STi涂层的动电位极化（a），电化学阻抗谱（b）和电化学频率调制谱（c）的测试谱图。

图4. 腐蚀试验后，各涂层保护下的铜基底的表面微观（a₁-d₁）和宏观形貌（a₂-d₂），水接触角（a₃-d₃）以及原子力显微镜测试结果（e-h）。

结合分子动力学模拟结果中涂层较高的自由体积分数，可以推断，在高成核率和析氢作用的共同作用下，PPy-STi涂层形成了独特的三维囊泡结构。

图5. PPy-STi涂层分子动力学模拟优化后模型（a），自由体积分数测量模型（b）及结果（c）以及涂层的三维囊泡结构（d）。

该工作以“Stabilized Ti₃C₂T_x-doped 3D vesicle polypyrrole coating for efficient protection toward copper in artificial seawater”为题发表在Applied Surface Science（2024, 642: 158639）期刊上，北京化工大学2023级博士研究生赵骁骐为主要完成人，北京工商大学樊保民副教授和北京化工大学徐斌教授为共同通讯作者，该研究得到国家自然科学基金联合基金项目（U2004212）的资助。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S016943322302319X

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（责任编辑：xu）

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