综述：石墨烯衍生纳米复合材料在环保型船舶防污表面的卓越应用：新进展与前景

这篇综述系统探讨了石墨烯基超疏水（superhydrophobic）纳米复合涂层的设计原理与应用前景，重点解析了其低表面自由能（SFE）、微纳二元结构（micro–nano binary systems）及环保型防污（antifouling）特性。作者团队总结了石墨烯材料（如GO/RGO）在提升涂层机械强度、抗菌性和自清洁（self-cleaning）性能中的核心作用，为替代传统有毒防污剂（如TBT）提供了创新解决方案。

　　

引言

海洋生物污损（biofouling）是航运业面临的重大挑战，每年造成约120亿美元的经济损失，并导致CO₂
、NO_x
等有毒气体排放。传统防污剂如三丁基锡（TBT）因生态毒性被国际海事组织（IMO）禁用，而超疏水表面（WCA>150°）通过仿生荷叶效应（lotus effect）和石墨烯纳米填料（graphenic nanofillers）的协同作用，成为新一代防污涂层的理想选择。

超疏水表面的基础原理

超疏水性源于低SFE和微纳级粗糙度（hierarchical roughness），其核心方程为Young公式：
Cosθ₀
= (γ_SA
? γ_SL
)/γ_LA
，其中γ_SA
、γ_LA
分别代表固/气、液/气界面能。石墨烯的二维蜂窝结构（2D honeycomb）和SP²
杂化碳原子层赋予其超高机械强度（130 GPa）和疏水性，通过表面修饰可进一步优化性能。

石墨烯材料的开发与结构

石墨烯的制备方法包括机械剥离（mechanical exfoliation）、化学气相沉积（CVD）和液相剥离（liquid-phase exfoliation）。其中，CVD法制备的3D石墨烯泡沫（WCA=150°）和PVDF/石墨烯多孔复合材料（WCA=153°）展现了优异的超疏水特性。

聚合物-石墨烯相互作用机制

石墨烯氧化物（GO）表面的环氧基和羧基可通过溶液浇铸（solution casting）均匀分散于聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等基质中。例如，硬脂酸（SA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）改性的多壁碳纳米管（MWCNTs@PU）涂层，通过增强界面结合力实现90%的油水分离效率。

应用前景与挑战

石墨烯基涂层在防污释放（fouling release, FR）和光催化降解（photocatalytic degradation）中表现突出，如CeO₂
-STA改性纳米纤维素膜可同步实现抗菌和油水分离。然而，长期耐久性（durability）和规模化生产仍是待突破的瓶颈。未来研究需结合分子动力学模拟（molecular dynamics simulation）优化涂层设计，以应对海洋环境的复杂需求。

结论

石墨烯衍生纳米复合材料通过仿生设计与纳米技术融合，为可持续防污涂层开辟了新路径。其核心优势在于将超疏水性、机械韧性和环境友好性整合于一体，有望重塑船舶工业的表面防护策略。