海洋船舶、海上平臺(tái)、海水管路，碼頭鋼樁、海上風(fēng)電和海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱等海洋設(shè)施設(shè)備與水生環(huán)境長(zhǎng)期直接接觸，極易受到生物污損的侵害，造成燃料消耗增加、服役壽命下降及安全風(fēng)險(xiǎn)加大等不利影響。生物污損具有危害面廣、防治復(fù)雜等特點(diǎn)，已成為世界性難題。尤其是近年來，隨著國(guó)家各類新型海洋裝備設(shè)施不斷投入使用，生物污損問題已成為制約水下設(shè)施設(shè)備安全高效運(yùn)行的瓶頸問題之一。涂層防污技術(shù)因其普遍適用性和良好的經(jīng)濟(jì)性得到廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)防污涂層因含有大量烈性毒劑而對(duì)海洋生態(tài)造成嚴(yán)重危害。自2008年全球禁止使用有機(jī)錫防污涂料以來，防污材料面臨著愈加嚴(yán)厲的環(huán)保要求，許多已開發(fā)的防污材料難以滿足環(huán)境友好、廣譜高效防污的需求。要有效防治生物污損，需綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、安全等因素，采取多樣化的抗菌防污策略。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室苛刻環(huán)境材料耦合損傷與延壽團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于新型環(huán)保抗菌防污材料的設(shè)計(jì)、規(guī)模化可控制備、及涂層在海洋苛刻環(huán)境下污損防護(hù)等方面的微觀機(jī)制與工程應(yīng)用研究(J. Colloid. Interf. Sci. 2024, 653 (Pt A), 833-843.、Prog. Org. Coat. 2024, 186, 108075-108085.、J. Colloid. Interf. Sci. 2023, 629, 496-507.、Adv. Mater. Interfaces 2022, 9 (9), 2101920-2101929.、Prog. Org. Coat. 2022, 167, 106864.、J. Colloid. Interf. Sci. 2022, 607, 1424-1435.)。近日，該團(tuán)隊(duì)提出了基于多元協(xié)同增效防污和綠色防污的材料設(shè)計(jì)思路，開發(fā)了一套光催化/自更新雙效防污的g-C3N4納米片/可降解聚席夫堿基復(fù)合材料體系。聚席夫基底樹脂作為一種完全可降解的樹脂，具有自更新表面和環(huán)保防污特征，但其防污效率有待提升。g-C3N4二維納米片具有高效光催化殺菌能力且兼具環(huán)保型，但其在涂層體系中的高效利用和光催化功能失活問題有待解決。本研究工作提出將光催化抗菌g-C3N4超薄二維納米片(g-C-NS)與可降解的聚席夫堿基樹脂復(fù)配，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種二元協(xié)同復(fù)合防污涂層體系(圖1)。二元協(xié)同防污涂層的可降解特征促使內(nèi)部包埋的光催化劑逐步暴露于防污界面，實(shí)現(xiàn)催化劑的100%高效利用和按需釋放。同時(shí)，光催化劑的光響應(yīng)特征可有效調(diào)控涂層的降解能力(1~40倍可調(diào))和增強(qiáng)其防污能力，實(shí)現(xiàn)超99%的高效抗細(xì)菌粘附和保持表面長(zhǎng)效潔凈。即使在光照不足的情況下，涂層的降解-自我更新特性也能保持表面清潔，抗細(xì)菌粘附率達(dá)94.58%。本文報(bào)道的復(fù)合涂層實(shí)現(xiàn)了光響應(yīng)降解和殺菌的協(xié)同作用，能有效防止細(xì)菌在水體中增殖，從而增強(qiáng)了在實(shí)際水生環(huán)境中使用這種策略防治生物污損的潛力。
相關(guān)研究成果以題為“Designing a photocatalytic and self-renewed g-C3N4 nanosheet/poly-Schiff base composite coating towards long-term biofouling resistance”(DOI: 10.1039/d4mh00550c)發(fā)表在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)旗艦期刊Materials Horizons。寧波材料所碩士研究生吳賽君為論文第一作者，寧波材料所嚴(yán)明龍助理研究員、趙文杰研究員為論文通訊作者。上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(52103133、52105230)、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2023C03013、2022C01183)、寧波市科技創(chuàng)新2025重大項(xiàng)目(2020Z053)、寧波材料技術(shù)與工程研究所“所長(zhǎng)基金”(2023C01089)的支持。
圖1 g-C3N4納米片/聚席夫堿基復(fù)合防污涂層的設(shè)計(jì)思路與防污機(jī)制
