基于原位电沉积Ni‑Al层状双氢氧化物的可持续超疏水涂层用于增强钢材的耐腐蚀保护

保护金属免受恶劣环境侵害

从船舶和桥梁到管道与发电厂，我们现代世界的许多基础设施都建立在钢材之上——而这些钢材不断受到水和盐的侵蚀。腐蚀在悄无声息中蚕食结构，造成数十亿美元损失并威胁安全。本研究探索了一种更环保的方式，用一种排水的“皮肤”来装甲钢材，这种涂层不仅保持干燥，而且能在粗糙的真实环境中保持坚韧。

仇水表面如何保护钢材

研究者的目标是让钢表面表现得像莲叶：水滴会凝成珠状并滚落，而不是摊开和渗透。这样的“超疏水”表面在金属与液体之间捕获一层薄薄的空气，像微观的雨衣一样阻挡盐水接触下面的钢材。团队旨在将这种效应与一种坚固、持久且比许多现有依赖持久氟化化学品的防水处理更环保的涂层结合起来。

在钢材上构建微观“森林”

为制造这种保护层，科学家们使用了一种电化学工艺，在钢材上直接生长一种特殊的层状材料。这种由镍和铝化合物组成的材料在表面形成致密的微观墙状和针状结构的“森林”。因为涂层是原位生长而非粘接而来，它与金属结合牢固。在第二步中，他们将粗糙的表面浸入硬脂酸溶液中，硬脂酸是一种与植物和动物中常见物质相关的长链脂肪酸。这一天然的低表面能层使已经粗糙的表面在不使用氟化化学品的情况下强烈排斥水。

寻找最大保护效果的最佳条件

团队仔细调整了电沉积步骤的时间，对比了7.5、15和22.5分钟生长的涂层。他们发现15分钟产生了特别有效的纤细针状“纳米森林”，表面粗糙度很高。在此表面上的水滴几乎形成完美球形，接触角约为161度，并且在仅需轻微倾斜时就会滑落，显示出极低的粘附性。生长时间过短会导致表面发育不足，而时间过长会使微小特征粗化和平滑，降低捕获空气的能力并削弱疏水效果。

对涂层进行严苛测试

为了评估这种超疏水“皮肤”对钢材的保护效果，研究者将有涂层和无涂层样品暴露于类似海水的盐水中，并测量腐蚀反应发生的难易程度。电化学测试表明，经过优化的涂层显著减缓了与腐蚀相关的电流流动，使得相对于裸钢的防护效率提升到约96.5%。同样重要的是，该涂层在应力下依然表现良好：在被磨擦超过一米的砂纸后仍保持其排水性能，且在从强酸性（pH 1）到强碱性（pH 13）的浸泡中仍保持高度疏水。这些结果表明，粗糙结构和薄有机层在化学和机械上具有良好的耐受性。

这对实际应用的意义

简而言之，该研究表明可以通过在钢材表面原位生长特殊的微观结构并随后涂覆一层天然来源的脂肪层，为钢材提供一种坚固、持久且更环保的疏水屏障。当优化后，这种组合能非常有效地捕获空气，使得咸水和腐蚀性液体难以接触金属，从而大幅减缓生锈。由于该工艺相对简单、条件温和且避免了持久性氟化物，它可望被改造用于保护基础设施、海洋设备和工业设备等苛刻环境中的构件。尽管仍需进一步测试长期风化和大尺寸、复杂形状件的适应性，但这一方法为可持续、耐久的腐蚀防护提供了一个有前景的新途径。

引用: Ragheb, D.M., Zaki, M.M., Mahgoub, F.M. et al. Sustainable superhydrophobic coating based on in-situ electrodeposited Ni-Al layered double hydroxide for enhanced corrosion protection of steel. Sci Rep 16, 12184 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44678-z

关键词: 超疏水涂层, 腐蚀保护, 钢材, 电沉积, 镍铝层状双氢氧化物