生物粘附在材料表面上并造成不良的后果稱為生物污損。海洋船舶、海上平臺、海水管路,碼頭鋼樁、海上風電和海水養殖網箱等海洋設施設備與水生環境長期接觸,極易受到海洋生物的侵害,造成燃料消耗增加、使用壽命下降及安全風險加大等不利影響。尤其是近年來,各類新型海洋設施設備不斷投入使用,生物污損問題已經成為制約水下設施設備安全高效運行的瓶頸問題。生物污損具有危害性廣、防治復雜等特點,是世界公認難題。 涂層防污技術因其普遍適用性和良好的經濟性得到廣泛應用,但傳統防污涂層因含有大量烈性毒劑而對海洋生態造成嚴重危害。當前的防污材料面臨著愈加嚴厲的環保要求,許多防污材料難以適應未來對環境友好、廣譜高效防污需求的趨勢。要有效防治生物污損,需綜合考慮經濟、環境、安全等因素,采取多樣化的抗菌防污策略。 可降解聚合物涂層因其生物環保性受到了廣泛關注,其原理是通過水解聚合物形成動態的自我更新表面,從而顯著減少污損生物的附著和抑制生物膜的形成。但該類防污涂層的自身防污能力較弱,通常需要通過添加/接枝防污劑來增強其長效防污能力。通過光催化抑制海洋微生物的附著和生長是一種潛在的高效環保型防污策略。然而,樹脂涂層和微生物沉積造成的不良“遮光效應”降低了催化劑的利用率,并導致涂層表面的防污活性物質失效。 中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關鍵材料重點實驗室苛刻環境材料耦合損傷與延壽團隊長期致力于新型多元協同環保抗菌防污材料的設計、規模化可控制備、及材料在海洋苛刻環境下污損防護等方面的微觀機制與工程應用研究。近期,該團隊針對該問題,提出了基于多元協同增效防污和綠色防污的材料設計思路,開發了一套光催化和自更新的g-C3N4納米片/可降解聚席夫堿基復合防污材料體系。相關研究結果近期已發表在國際頂級期刊Materials Horizons上。
圖1 g-C3N4納米片/聚席夫堿基復合防污涂層的設計思路
圖2 光催化劑懸浮液的光催化性能
圖3 g-C3N4納米片/聚席夫堿基復合涂層的抗生物污損性質
圖4 g-C3N4納米片/聚席夫堿基復合防污涂層的設計思路與防污機制
所報道的復合涂層實現了光響應降解自更新和光催化殺菌的二元協同作用,能有效防止細菌在水體中增殖,有望廣泛應用于海洋防污領域。該研究工作得到了國家自然科學基金、浙江省重點研發計劃、寧波市科技創新2025重大項目等項目的資助。該團隊的吳賽君研究生為第一作者,嚴明龍博士和趙文杰研究員為通訊作者。
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