环保型红树林衍生物纳米复合涂层：在波斯湾进行的现场试验中用于可持续防生物污损和防腐蚀保护

《Marine Pollution Bulletin》：Eco-friendly mangrove-derived nanocomposite coating for sustainable biofouling and corrosion protection in Persian Gulf field trials

海洋生物污垢和腐蚀对航运业造成严重经济和环境压力。本研究以红树林（Avicennia marina）叶提取液为绿色还原剂，成功制备了Al?O?-TiO?@MWCNT/PDMS纳米复合涂层，经实验室和波斯湾实地测试验证，其抗菌率高达96.5%-97.2%，抗藻覆盖率降低68%，腐蚀电流密度仅为0.008 μA/cm2，兼具环保性和高效防护性能，符合联合国可持续发展目标9（工业创新）和14（海洋保护）。

　　在当今全球范围内，海洋生物污损和腐蚀问题日益严重，给航运业和相关基础设施带来了巨大的经济损失和环境压力。随着人们对可持续发展和环境保护意识的提高，寻找一种既能有效抑制生物污损，又能减少材料腐蚀的环保型涂层材料成为研究的热点。本文提出了一种基于红树林植物提取物的绿色合成纳米复合材料涂层，旨在为海洋环境下的基础设施提供一种高效、环保、可持续的保护方案。

### 研究背景与意义

海洋生物污损是指在水下环境中，微生物、海藻和小型海洋生物在材料表面附着、生长，最终形成生物膜，从而对设备造成损害。这种现象不仅增加了船舶的摩擦阻力，降低了航行速度，还显著增加了燃料消耗，进而影响经济效益。此外，生物污损还会导致维护成本上升，影响设备的正常运行，并对水体造成污染，释放温室气体，促进外来物种的扩散，破坏海洋生态平衡。目前，全球每年使用超过8万吨的防污涂料，其中大多数是基于铜的有毒配方，这对海洋生物和生态环境构成了严重威胁。

因此，开发一种高效、耐用且环境友好的防污涂层材料成为迫切需求。传统的防污涂料往往依赖于有毒的生物杀灭剂，而这些化学物质在长期使用过程中会对海洋环境造成不可逆的损害。因此，研究者们开始探索非毒性的替代方案，以实现对海洋生物污损和腐蚀的双重抑制。

### 材料选择与设计思路

在众多可能的材料中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其优异的防水性能、低表面能以及良好的柔韧性，成为防污涂层的首选材料之一。然而，PDMS在机械性能和静态防污能力方面存在局限，使其在海洋环境中的应用受到一定限制。为了克服这一缺陷，研究者们尝试将纳米材料引入PDMS基体，以增强其物理和化学性能。

本研究中，采用了一种创新的策略，即利用红树林植物（*Avicennia marina*）的叶片提取物进行绿色合成，制备出氧化铝（Al?O?）和二氧化钛（TiO?）纳米颗粒，并将这些纳米颗粒与多壁碳纳米管（MWCNTs）结合，形成一种新型的纳米复合材料。通过这种方式，不仅可以提高涂层的性能，还能避免传统化学合成方法可能带来的环境污染问题。

### 纳米复合材料的制备与性能优化

在纳米复合材料的制备过程中，红树林植物提取物作为绿色还原剂，不仅能够有效促进纳米颗粒的合成，还能赋予其一定的生物活性。这种生物活性在防污过程中发挥了重要作用，尤其是在抑制微生物附着和海藻生长方面。通过将Al?O?和TiO?纳米颗粒与MWCNTs结合，研究团队构建了一个具有多重功能的纳米复合材料体系。

MWCNTs因其高机械强度、良好的导电性和较大的比表面积，被广泛用于增强材料的物理性能。同时，它们的表面特性也能够影响微生物的附着行为。TiO?纳米颗粒则因其出色的光催化性能和低毒性，成为一种理想的防污材料。当TiO?纳米颗粒在紫外线下发生光催化反应时，能够产生具有强氧化性的自由基，从而破坏微生物的细胞结构，抑制其生长。此外，TiO?还能通过改变材料表面的润湿性，减少生物污损的发生。

Al?O?纳米颗粒则因其高硬度和良好的热稳定性，能够增强涂层的机械性能，提高其在恶劣海洋环境中的耐用性。同时，Al?O?还能改善涂层的表面结构，使其更难以被微生物附着。通过将这三种材料进行合理的组合和优化，研究团队成功开发出一种具有优异性能的纳米复合材料涂层。

### 材料表征与性能验证

为了验证所制备纳米复合材料的性能，研究团队对其进行了多种表征手段的分析。其中包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FESEM-EDS）和紫外-可见光谱（UV–Vis）等。这些分析方法共同作用，确保了纳米颗粒在PDMS基体中的均匀分散，并确认了其与MWCNTs之间的复合结构。

通过这些表征手段，研究团队发现，纳米复合材料在结构上具有高度的均匀性和稳定性，这为其在实际应用中提供了良好的基础。此外，UV–Vis光谱分析进一步揭示了纳米颗粒在光学性质上的显著变化，表明其在紫外线下具有良好的响应能力，这与光催化性能密切相关。

在生物性能方面，研究团队对纳米复合材料进行了抗菌和抗藻测试。实验结果显示，0.5 wt%的Al?O?-TiO?@MWCNT/PDMS涂层对金黄色葡萄球菌（*S. aureus*）、大肠杆菌（*E. coli*）和铜绿假单胞菌（*P. aeruginosa*）的抑制率分别达到了96.5%、97.2%和95.8%。这表明该涂层在抗菌性能上表现优异，能够有效阻止微生物的附着和生长。

在抗藻方面，该涂层对* Nannochloropsis oculata*的抑制率达到了98.7%，显示出极强的抗生物污损能力。这种性能的提升不仅得益于纳米颗粒的协同作用，还与PDMS基体的表面特性密切相关。PDMS的低表面能使其不易被微生物附着，而纳米颗粒的引入则进一步增强了这一特性。

在电化学性能方面，研究团队通过电化学测试评估了涂层的抗腐蚀能力。实验结果表明，该涂层的腐蚀电流密度仅为0.008 μA/cm2，而纯PDMS的腐蚀电流密度为0.056 μA/cm2。这表明纳米复合材料涂层在抗腐蚀方面具有显著优势，能够有效延缓材料的腐蚀过程。

此外，该涂层的极化电阻达到了4750 kΩ·cm2，显示出优异的电化学稳定性。这不仅有助于提高涂层的耐久性，还能减少材料在海洋环境中的氧化和降解。

### 实际应用与环境效益

为了验证该涂层在实际海洋环境中的表现，研究团队在波斯湾进行了为期四个月的现场试验。试验结果表明，与纯PDMS涂层相比，该纳米复合材料涂层在表面污损覆盖面积上减少了68%。这一结果不仅证明了其在实验室环境中的优异性能，也表明其在实际应用中具有良好的稳定性和适应性。

更重要的是，该涂层在制备过程中采用了绿色合成方法，避免了传统化学合成方法可能带来的环境污染。通过利用红树林植物提取物作为还原剂，研究团队成功制备出无毒、环保的纳米颗粒，并将其与MWCNTs结合，形成了一种多功能的复合材料。这种合成方法不仅降低了生产成本，还减少了对环境的负担，为可持续发展提供了新的思路。

### 研究创新与未来展望

本研究的创新之处在于，首次将红树林植物提取物用于纳米颗粒的绿色合成，并将其与MWCNTs结合，形成一种具有多重功能的纳米复合材料。这种材料不仅在抗菌和抗藻方面表现出色，还在抗腐蚀方面具有显著优势，能够有效延长海洋基础设施的使用寿命。

此外，该涂层的设计理念也体现了对可持续发展的重视。通过减少对有毒生物杀灭剂的依赖，研究团队为海洋环境保护提供了一种可行的解决方案。同时，该涂层的多功能性和稳定性，使其在实际应用中具有广泛前景，有望成为未来海洋防污涂层的主流材料之一。

### 研究成果与社会影响

本研究的成果不仅在材料科学领域具有重要意义，也在环境保护和社会可持续发展方面产生了深远影响。通过开发一种环保、高效的纳米复合材料涂层，研究团队为减少海洋生物污损和腐蚀提供了新的技术路径。这种技术的推广和应用，将有助于降低航运业的运营成本，减少对环境的污染，同时促进海洋生态系统的保护。

此外，该研究还符合联合国可持续发展目标（SDGs）9和14的要求。SDG 9关注的是工业创新和基础设施建设，而SDG 14则聚焦于海洋生态保护。通过将材料创新与实际应用相结合，本研究为实现这两个目标提供了有力支持。

### 研究团队与合作

本研究由来自伊朗霍尔莫兹甘大学海洋生物学系的Mozhgan Razzaghi、Ahmad Homaei、Fayezeh Samari、Roohullah Hemmati以及意大利的Fabio Vianello共同完成。研究团队在材料合成、性能测试和数据分析等方面进行了深入探讨，确保了研究的全面性和科学性。同时，该研究得到了伊朗国家科学基金会（INSF）的资助，为项目的顺利开展提供了必要的支持。

### 研究的局限与未来方向

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。例如，目前的研究主要集中在实验室环境下的性能测试，而实际应用中的复杂性和多变性仍需进一步验证。此外，纳米复合材料的长期稳定性和耐久性也是未来研究需要关注的重点。研究团队计划在未来的工作中，进一步优化纳米颗粒的浓度和分布，提高涂层的综合性能，并探索其在不同海洋环境中的适应性。

总的来说，本研究为海洋防污和腐蚀防护提供了一种全新的解决方案，具有重要的科学价值和实际应用前景。通过结合绿色合成技术和纳米复合材料工程，研究团队成功开发出一种环保、高效、可持续的涂层材料，为未来的海洋基础设施保护提供了新的思路和技术支持。