生物粘附在材料表面上并造成不良的后果称为生物污损。海洋船舶、海上平台、海水管路,码头钢桩、海上风电和海水养殖网箱等海洋设施设备与水生环境长期接触,极易受到海洋生物的侵害,造成燃料消耗增加、使用寿命下降及安全风险加大等不利影响。尤其是近年来,各类新型海洋设施设备不断投入使用,生物污损问题已经成为制约水下设施设备安全高效运行的瓶颈问题。生物污损具有危害性广、防治复杂等特点,是世界公认难题。 涂层防污技术因其普遍适用性和良好的经济性得到广泛应用,但传统防污涂层因含有大量烈性毒剂而对海洋生态造成严重危害。当前的防污材料面临着愈加严厉的环保要求,许多防污材料难以适应未来对环境友好、广谱高效防污需求的趋势。要有效防治生物污损,需综合考虑经济、环境、安全等因素,采取多样化的抗菌防污策略。 可降解聚合物涂层因其生物环保性受到了广泛关注,其原理是通过水解聚合物形成动态的自我更新表面,从而显著减少污损生物的附着和抑制生物膜的形成。但该类防污涂层的自身防污能力较弱,通常需要通过添加/接枝防污剂来增强其长效防污能力。通过光催化抑制海洋微生物的附着和生长是一种潜在的高效环保型防污策略。然而,树脂涂层和微生物沉积造成的不良“遮光效应”降低了催化剂的利用率,并导致涂层表面的防污活性物质失效。 中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室苛刻环境材料耦合损伤与延寿团队长期致力于新型多元协同环保抗菌防污材料的设计、规模化可控制备、及材料在海洋苛刻环境下污损防护等方面的微观机制与工程应用研究。近期,该团队针对该问题,提出了基于多元协同增效防污和绿色防污的材料设计思路,开发了一套光催化和自更新的g-C3N4纳米片/可降解聚席夫碱基复合防污材料体系。相关研究结果近期已发表在国际顶级期刊Materials Horizons上。
图1 g-C3N4纳米片/聚席夫碱基复合防污涂层的设计思路
图2 光催化剂悬浮液的光催化性能
图3 g-C3N4纳米片/聚席夫碱基复合涂层的抗生物污损性质
图4 g-C3N4纳米片/聚席夫碱基复合防污涂层的设计思路与防污机制
所报道的复合涂层实现了光响应降解自更新和光催化杀菌的二元协同作用,能有效防止细菌在水体中增殖,有望广泛应用于海洋防污领域。该研究工作得到了国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、宁波市科技创新2025重大项目等项目的资助。该团队的吴赛君研究生为第一作者,严明龙博士和赵文杰研究员为通讯作者。
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