本文報道了一種在銅表面通過反向電極循環伏安法電聚合形成的穩定化Ti3C2Tx摻雜的3D囊泡聚吡咯（PPy-STi）復合涂層。由于十二烷基硫酸鈉（SDS）的聚合物成核促進作用和Ti3C2Tx對析氫反應的催化活性，形成了具有扭曲擴散路徑的獨特囊泡狀結構，這賦予了涂層對侵蝕性物質的強大屏障作用。同時，高金屬導電性的穩定化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。將MXenes集成到導電聚合物涂層中，以增強保護特性，可能為惡劣環境下電子設備的耐腐蝕性提供新策略。
腐蝕會對宏觀和微觀基礎設施造成重大經濟損失和嚴重損害。對于精密設備而言，環境中材料的降解（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，在惡劣環境中對金屬具有顯著優勢。與惰性涂層（如環氧樹脂和硅烷）相比，導電聚合物（CPs）能有效隔離底層基材免受侵蝕性攻擊，同時不損害其導電性，使其成為保護電子接觸點的理想選擇。此外，CPs也優選用于高性能電子設備（如芯片）的導電粘合，這些設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）層的橫截面形態及其相應的潤濕性（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。
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（a2-d2）和潤濕性（a3-d3），在298 K下在ASW中浸泡10天后的結果。
圖12.優化（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的復合涂層。將Ti3C2Tx納米片摻雜到PPy基質中增強了涂層在銅上的粘附強度、導電性和沉積密度。同時，SDS防止了Ti3C2Tx膠體氧化和水解，促進了其在PPy網絡中的穩定性。PPy和MXene增加的堆積密度以及銅表面催化的氫析出反應產生了PPy-STi涂層的囊泡結構（58.20 µm）。相比之下，SDS穩定的Ti3C2Tx產生了具有強PPy電活性的涂層，保持了底層銅的鈍化狀態。因此，在ASW中，陽極保護在PPy-STi保護樣品的暴露期間占主導地位，因為表觀icorr持續降低，而Rct增加。非破壞性EFM結果支持了不同涂層電活性的推斷，因為電流響應具有相似的變化趨勢。同時，物理屏障在延緩銅腐蝕方面發揮了關鍵作用。由于多孔結構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。
文獻創新點
新型復合涂層材料：
穩定化Ti3C2Tx摻雜的3D囊泡聚吡咯涂層：本文提出了一種新型復合涂層材料PPy-STi，通過將穩定化的Ti3C2Tx納米片摻雜到聚吡咯（PPy）基質中，形成了具有獨特3D囊泡結構的復合涂層。
獨特的囊泡狀結構：
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對析氫反應的催化活性，成功制備出具有扭曲擴散路徑的囊泡狀結構。這種結構為涂層提供了強大的物理屏障，有效阻擋侵蝕性物質的滲透。
增強的陽極保護能力：
高金屬導電性：穩定化的Ti3C2Tx具有高金屬導電性，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。
反向電極電聚合方法：
制備方法創新：采用反向電極循環伏安法電聚合形成復合涂層，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合：
多尺度研究：結合分子動力學（MD）模擬和實驗驗證，深入探討了PPy-STi涂層的形成機制、結構特性和保護機制，為復合涂層的進一步優化和應用提供了理論依據。
潛在的工業應用前景：
新材料開發：本文開發的PPy-STi復合涂層在惡劣環境下對銅等金屬具有顯著的防腐效果，為電子設備的耐腐蝕性提供了新的解決方案，具有潛在的工業應用前景。
轉自《石墨烯研究》公眾號
