用于海洋环境的抗氧化MXene/PTA薄膜：具备低红外辐射特性及长期红外隐身效果

《Applied Ocean Research》：Antioxidative MXene/PTA film in marine environments for low infrared emissivity and long-term infrared camouflage

本研究提出聚鞣酸（PTA）保护策略，通过氢键和配位作用增强MXene抗氧化性能，解决其在海洋环境中的稳定性问题。实验表明，PTA改性MXene薄膜在模拟海洋环境中3天发射率仅从0.15升至0.17，20天后仍稳定在0.22，兼具低红外发射率和长期耐久性，为海洋红外隐身材料开发提供新方案。

　　MXene作为一种新型的二维过渡金属碳化物材料，因其独特的物理化学性质而受到广泛关注。其在红外隐身材料领域展现出巨大的潜力，主要得益于其低红外发射率的特性。然而，MXene在海洋等高湿高温环境中表现出较差的稳定性，容易发生氧化反应，从而影响其红外隐身性能。为了解决这一问题，研究人员提出了一种基于聚没食子酸（PTA）的保护策略，通过氢键和配位作用将PTA接枝到MXene表面，形成一层稳定的保护膜。这一策略不仅能够有效阻挡水分和氧气的侵入，还能增强MXene纳米片之间的界面结合力，从而显著提升复合材料的结构稳定性和抗氧化性能。

在海洋环境中，高湿度和高温条件对MXene的稳定性构成了严峻挑战。MXene的结构缺陷使其容易在与水分子和氧气接触时发生选择性氧化，进而引发二氧化钛（TiO?）的形成。这种氧化过程不仅会破坏MXene的原有结构，还会导致其红外发射率的显著上升，从而降低其在红外隐身领域的应用价值。为了应对这一问题，研究团队引入了PTA作为抗氧化剂，利用其丰富的儿茶酚基团与MXene表面的官能团发生相互作用，形成一层稳定的保护层。这一保护层能够有效阻挡水分子和氧气的侵蚀，同时通过增强MXene纳米片之间的连接，提高复合材料的整体结构稳定性。

PTA作为一种天然的多酚化合物，具有优异的抗氧化性能和良好的生物相容性。其分子结构中含有多个儿茶酚基团，这些基团在碱性条件下可以发生类似多巴胺的聚合反应，从而在MXene表面形成稳定的化学键合。此外，PTA分子中的氧原子能够与MXene表面的钛原子形成配位键，进一步增强其抗氧化能力。这种双重作用机制使得PTA能够有效地抑制MXene在高湿高温环境下的氧化反应，从而延长其在海洋环境中的使用寿命。

研究团队通过实验验证了PTA对MXene复合材料的保护效果。在模拟海洋环境中，经过PTA修饰的MXene复合材料（MP-5，其中5表示5%的PTA含量）在3天内仅表现出轻微的红外发射率增加，从0.15上升至0.17。而在20天的高温高湿暴露测试中（60℃，95% RH），该复合材料仍能保持较低的红外发射率（0.22），显示出卓越的耐久性和红外隐身性能。这些结果表明，PTA修饰的MXene复合材料在海洋环境下的应用前景广阔，能够满足长期红外隐身的需求。

在材料制备方面，研究团队采用了一种温和的层间剥离方法（MILD）来合成MXene纳米片。首先，将Ti?AlC?粉末与LiF混合，在HCl溶液中进行反应，以去除Al层并暴露出Ti?C?Tx的结构。随后，通过超声波处理和离心分离，获得均匀分散的MXene纳米片。为了增强MXene的稳定性，研究团队将PTA作为抗氧化剂引入到MXene复合材料的制备过程中。PTA通过自聚合过程在MXene表面形成交联网络，从而增强其结构稳定性。此外，PTA还能够与MXene表面的官能团发生氢键作用，进一步提高其在复杂环境下的性能表现。

在微观结构和成分分析方面，研究团队采用了多种先进的表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）。这些技术能够直观地展示PTA在MXene表面的分布情况以及其与MXene之间的相互作用。SEM和TEM图像显示，PTA修饰后的MXene纳米片之间形成了紧密的连接，显著提高了复合材料的机械强度。XPS分析结果表明，PTA与MXene表面的钛原子之间形成了稳定的化学键，从而有效阻止了氧化反应的发生。FTIR光谱则进一步证实了PTA与MXene之间的氢键和配位作用，为理解其增强机制提供了有力支持。

研究团队还通过实验验证了PTA修饰MXene复合材料在不同条件下的性能表现。在模拟海洋环境中，PTA修饰的MXene复合材料不仅保持了其原有的低红外发射率特性，还表现出优异的抗氧化性能。在高温高湿条件下，其红外发射率的变化幅度远小于未修饰的MXene材料，说明PTA能够有效保护MXene免受环境因素的影响。此外，PTA修饰后的复合材料在机械性能方面也有所提升，其柔韧性和抗拉强度得到了增强，使其更适用于实际应用中的复杂环境。

从应用角度来看，MXene基红外隐身材料在海洋环境中的应用具有重要意义。海洋环境中的高湿度和高温条件对材料的稳定性提出了更高要求，而PTA修饰的MXene复合材料能够有效应对这些挑战。该材料不仅可以用于红外隐身，还可能在其他领域如传感、防腐涂层和电磁屏蔽等方面发挥重要作用。其优异的抗氧化性能和结构稳定性使其成为一种理想的候选材料，能够满足长期、稳定的红外隐身需求。

此外，研究团队还探讨了PTA修饰MXene复合材料在不同应用场景下的潜在优势。例如，在海洋舰船或水下设备的红外隐身应用中，该材料能够有效降低目标的热辐射信号，提高其隐蔽性。在军事领域，这种材料可以用于开发新型的隐身技术，增强装备在复杂环境下的生存能力。在民用领域，PTA修饰的MXene复合材料也可能被应用于需要长期稳定性能的场合，如建筑保温材料或智能纺织品等。

总的来说，这项研究为MXene基红外隐身材料的开发提供了一种新的思路。通过引入PTA作为保护层，不仅解决了MXene在海洋环境中的稳定性问题，还保留了其原有的低红外发射率特性。这种策略在理论上具有重要意义，同时在实际应用中也展现出广阔前景。未来的研究可以进一步探索PTA修饰MXene复合材料在不同环境条件下的性能表现，以及其在其他领域的应用潜力。此外，还可以尝试与其他抗氧化剂或保护材料进行复合，以进一步提升其性能。随着对MXene材料研究的不断深入，相信其在红外隐身及其他高性能材料领域的应用将更加广泛和深入。