本文報道了一種在銅表面通過反向電極循環(huán)伏安法電聚合形成的穩(wěn)定化Ti3C2Tx摻雜的3D囊泡聚吡咯（PPy-STi）復(fù)合涂層。由于十二烷基硫酸鈉（SDS）的聚合物成核促進作用和Ti3C2Tx對析氫反應(yīng)的催化活性，形成了具有扭曲擴散路徑的獨特囊泡狀結(jié)構(gòu)，這賦予了涂層對侵蝕性物質(zhì)的強大屏障作用。同時，高金屬導(dǎo)電性的穩(wěn)定化Ti3C2Tx增強了PPy-STi涂層的整體電活性，從而在人工海水（ASW）中為銅提供了顯著改善的陽極保護。依靠PPy-STi的耐受物理屏障和強大的陽極保護能力，涂層銅在ASW中浸泡10天后仍能保持其鈍化狀態(tài)。將MXenes集成到導(dǎo)電聚合物涂層中，以增強保護特性，可能為惡劣環(huán)境下電子設(shè)備的耐腐蝕性提供新策略。
腐蝕會對宏觀和微觀基礎(chǔ)設(shè)施造成重大經(jīng)濟損失和嚴重損害。對于精密設(shè)備而言，環(huán)境中材料的降解（如銅）會極大地影響其精度和使用壽命，因此需要有效的防腐措施。在多樣化的保護策略中，應(yīng)用涂層，特別是聚合物涂層，因操作簡便、高效且耐用，在惡劣環(huán)境中對金屬具有顯著優(yōu)勢。與惰性涂層（如環(huán)氧樹脂和硅烷）相比，導(dǎo)電聚合物（CPs）能有效隔離底層基材免受侵蝕性攻擊，同時不損害其導(dǎo)電性，使其成為保護電子接觸點的理想選擇。此外，CPs也優(yōu)選用于高性能電子設(shè)備（如芯片）的導(dǎo)電粘合，這些設(shè)備也迫切需要保護措施。
圖1.銅表面PPy-STi涂層形成過程的示意圖。
圖2.不同PPy涂層在銅上電聚合的伏安曲線（左：a: PPy；b: PPy-Ti；c: PPy-S；d: PPy-STi）以及新制備的形貌（右，插圖：光學圖像）。
圖3.自由站立PPy（a）、PPy-Ti（b）、PPy-S（c）和PPy-STi（d）層的橫截面形態(tài)及其相應(yīng)的潤濕性（插圖）。
圖4.PPy、PPy-Ti、PPy-S和PPy-STi涂層的FTIR光譜(a)和XRD圖譜(b)。
圖5. 銅表面上PPy、PPy-Ti、PPy-S和PPy-STi涂層的解卷積XPS光譜 (a) C1s, (b) N1s 和 (c) O1s。
圖6. 在298 K的ASW中分配浸泡時間后，涂覆有PPy（a）、PPy-Ti（b）、PPy-S（c）和PPy-STi（d）的銅試樣的極化曲線。
圖7.在298 K下在ASW中分配浸泡時間后，PPy（a）、PPy-Ti（b）、PPy-S（c）和PPy-STi（d）涂層銅的Nyquist（左）和Bode（右）譜。
圖8.不同涂層樣品阻抗參數(shù)的等效電路
圖9。EFM譜（左），衍生i_corr、CF2/3值（中）和Tafel斜率（右）對于PPy（a）、PPy-Ti（b）、PPy-S（c）和PPy-STi（d）涂層銅在298 K下在ASW中分配浸泡時間后的結(jié)果。
圖10.在298 K下在ASW中浸泡10天后，PPy（a）、PPy-Ti（b）、PPy-S（c）和PPy-STi（d）涂層的表面形態(tài)。
圖11.SEM（a1-d1）和AFM（e-h）圖像（黃色箭頭：腐蝕缺陷），銅表面在PPy（a，e）、PPy-Ti（b，f）、PPy-S（c，g）和PPy-STi（d，h）涂層下的光學形態(tài)（a2-d2）和潤濕性（a3-d3），在298 K下在ASW中浸泡10天后的結(jié)果。
圖12.優(yōu)化（左）、FFV測量（中）和特定體積（右）對于PPY（a）、PPY-Ti（b）、PPY-S（c）和PPY-STi（d）涂層的周期性模型。
圖13.298 K下ASW中PPy、PPy-Ti、PPy-S和PPy-STi涂層試樣的保護機制示意圖。
本文通過反向電極法在鈍化銅表面制備了基于PPy的復(fù)合涂層。將Ti3C2Tx納米片摻雜到PPy基質(zhì)中增強了涂層在銅上的粘附強度、導(dǎo)電性和沉積密度。同時，SDS防止了Ti3C2Tx膠體氧化和水解，促進了其在PPy網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定性。PPy和MXene增加的堆積密度以及銅表面催化的氫析出反應(yīng)產(chǎn)生了PPy-STi涂層的囊泡結(jié)構(gòu)（58.20 µm）。相比之下，SDS穩(wěn)定的Ti3C2Tx產(chǎn)生了具有強PPy電活性的涂層，保持了底層銅的鈍化狀態(tài)。因此，在ASW中，陽極保護在PPy-STi保護樣品的暴露期間占主導(dǎo)地位，因為表觀icorr持續(xù)降低，而Rct增加。非破壞性EFM結(jié)果支持了不同涂層電活性的推斷，因為電流響應(yīng)具有相似的變化趨勢。同時，物理屏障在延緩銅腐蝕方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。由于多孔結(jié)構(gòu)和有限的陽極保護能力，ASW不可避免地穿透PPy、PPy-Ti和PPy-S涂層并損壞基材。相比之下，PPy-STi保護的樣品在ASW中浸泡10天后仍能保持鈍化表面，證實了其持久的陽極保護效果。
文獻創(chuàng)新點
新型復(fù)合涂層材料：
穩(wěn)定化Ti3C2Tx摻雜的3D囊泡聚吡咯涂層：本文提出了一種新型復(fù)合涂層材料PPy-STi，通過將穩(wěn)定化的Ti3C2Tx納米片摻雜到聚吡咯（PPy）基質(zhì)中，形成了具有獨特3D囊泡結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層。
獨特的囊泡狀結(jié)構(gòu)：
形成機制：利用十二烷基硫酸鈉（SDS）的聚合物成核促進作用和Ti3C2Tx對析氫反應(yīng)的催化活性，成功制備出具有扭曲擴散路徑的囊泡狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)為涂層提供了強大的物理屏障，有效阻擋侵蝕性物質(zhì)的滲透。
增強的陽極保護能力：
高金屬導(dǎo)電性：穩(wěn)定化的Ti3C2Tx具有高金屬導(dǎo)電性，顯著增強了PPy-STi涂層的整體電活性，從而在人工海水（ASW）中為銅提供了顯著改善的陽極保護。
持久的保護效果：依靠PPy-STi涂層的耐受物理屏障和強大的陽極保護能力，涂層銅在ASW中浸泡10天后仍能保持其鈍化狀態(tài)。
反向電極電聚合方法：
制備方法創(chuàng)新：采用反向電極循環(huán)伏安法電聚合形成復(fù)合涂層，該方法能夠在鈍化的銅表面有效沉積PPy-STi涂層，并賦予其良好的粘附性和電活性。
理論模擬與實驗驗證相結(jié)合：
多尺度研究：結(jié)合分子動力學（MD）模擬和實驗驗證，深入探討了PPy-STi涂層的形成機制、結(jié)構(gòu)特性和保護機制，為復(fù)合涂層的進一步優(yōu)化和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
潛在的工業(yè)應(yīng)用前景：
新材料開發(fā)：本文開發(fā)的PPy-STi復(fù)合涂層在惡劣環(huán)境下對銅等金屬具有顯著的防腐效果，為電子設(shè)備的耐腐蝕性提供了新的解決方案，具有潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
