孟国哲教授、郭宏磊副教授团队在金属腐蚀早期预警领域取得进展

在海洋环境下，不锈钢金属材料受到海水中氯离子、溶解氧等腐蚀介质的侵蚀后容易发生腐蚀，严重影响海洋装备的结构和力学性能。因此，对金属腐蚀的早期监测能够提前定位腐蚀受损区域并及时指导修复，对提高海工装备和设施的使用寿命具有重要的现实意义。尽管目前通过微胶囊包覆或化学接枝等方法已经制备出基于腐蚀产物诱导的比色或荧光自预警涂层，但这些腐蚀感应涂层面临着添加剂量大、合成路线复杂、容易失效以及不具有重复使用性等问题，限制了其实际应用。

受变色龙的皮肤在不同环境中能够可逆地改变颜色特性启发，中山大学化学工程与技术学院郭宏磊副教授课题组提出了一个简单、通用的一体化策略。研究工作中提出将具有聚集诱导发光（AIE）特性的荧光分子接枝到具有可逆粘接特性的水凝胶网络中，利用荧光分子TPEPy对金属Fe³⁺的荧光识别和凝胶网络的物理粘附制备出一种可重复使用、原位监测金属早期腐蚀的半透明荧光水凝胶涂层。（图1）该水凝胶涂层中的荧光敏感单元TPEPy在不良溶剂去离子水中能够聚集诱导产生黄绿色荧光；当不锈钢的腐蚀产物Fe³⁺接触到荧光凝胶涂层后，发光的TPEPy与Fe³⁺作用后发生荧光猝灭，在凝胶涂层上表现出棕红色。

图1 AIE型荧光水凝胶在腐蚀原位检测中的应用和可重复利用机理图。

图2 p(HEMA-co-TPEPy) 水凝胶的荧光特性。

基于TPEPy分子的AIE特性及Fe³⁺敏感性，将其与单体HEMA通过简单的自由基共聚反应制备出荧光水凝胶，溶胀后的凝胶为黄绿色（图2）。通过设计镂空的“C”字型模具，可以直观地看到Fe³⁺对凝胶的荧光猝灭行为（图3）。除此之外，p(HEMA-co-TPEPy)凝胶表现出对环氧树脂、不锈钢等材料的物理粘接行为，在连续10次的剥离循环试验后该凝胶的粘接强度没有明显降低。（图4）

图3 p(HEMA-co-TPEPy) 凝胶对Fe³⁺的荧光猝灭行为。

图4 p(HEMA-co-TPEPy) 水凝胶对不同基材的粘接。

p(HEMA-co-TPEPy)水凝胶的对Fe³⁺荧光猝灭敏感的特性使其在不锈钢早期腐蚀检测中表现出巨大潜力。（图5）在施加电压0.6V（相对于开路电压）、400-500s后，可明显观测到凝胶局部的荧光强度降低，这对应着不锈钢电极表面的点蚀区域。加入螯合剂可以逆转这一过程，10次循环后p(HEMA-co-TPEPy)水凝胶在FeCl₃溶液和EDTA 溶液处理过程中的荧光强度变化表现出可逆性。

图5 p(HEMA-co-TPEPy) 水凝胶对不锈钢腐蚀的原位观察和可重复利用特性。

该工作发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上（Honglei Guo*, Canjie Zhu, Zihao Yuan, Guang Huang, Huansen Liang, Chenxi XiongChenxi Xiong, Zhiyuan Feng, Qiang Wei*, and Guozhe Meng*, Facile Hydrogels of AIEgens Applied as Reusable Sensors for In Situ and Early Warning of Metallic Corrosion, 2023, online.）。论文的第一单位为中山大学化学工程与技术学院，第一作者为郭宏磊副教授和学院2018级本科生朱灿杰（现中山大学材料科学与工程学院硕士生）。该项研究得到了国家重点研发计划基金(2019YFE0111000)、国家自然科学基金(51903257)、广州市基础与应用基础研究项目基金(202102021112)的支持。该论文相关研究成果也得到了学院和同行们的大力支持。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c21798