溶剂极性对8-羟基喹啉@MgO杂化涂层自组装性能和耐腐蚀性的影响

时间:2025年12月31日
来源:Materials Chemistry and Physics

编辑推荐:

8-HQ在MgO-MgAl2O3多孔材料表面的溶剂调控自组装及协同防腐蚀机制研究。摘要通过分析乙醇、甲醇、水溶剂对8-HQ自组装形态的影响,发现乙醇因最强氢键和π-π相互作用形成致密花状结构,使8-HQ@MgO涂层腐蚀率降至2.174×10^-4 mpy,电化学稳定性达4.96×10^5 Ω·cm²,证实溶剂极性调控自组装可显著提升无机-有机协同防腐蚀性能。

广告
   X   

盛玉军|法拉·哈兹马图尔哈克|巴斯姆·阿斯福尔|阿卜杜勒·瓦哈布·阿拉夫|卢布娜·阿尔·哈穆德|韦尔·阿尔·祖比
中国浙江省湖州市东二环路759号湖州大学工程学院,邮编313000

摘要

在本研究中,我们研究了N-杂环供体(8-羟基喹啉(8-HQ)在多孔材料表面(MgO-MgAl₂O₄)上的有序自组装,以制备类似花朵的结构。此外,我们还考察了溶剂(乙醇、甲醇和水)对这些分子自组装过程的影响。8-HQ分子在多孔无机表面上的生长形态各异,这归因于其不同的极性,这种极性影响了8-HQ与从无机层中溶解出的金属离子之间的配位作用。通过在多孔无机表面添加有机层,电化学性能得到了显著提高,这一点通过电化学分析得到了证实。其中,乙醇在促进形成致密且有序的花状结构方面表现最佳,这得益于其较强的分子间氢键和π-π相互作用。结果表明,乙醇衍生的混合涂层具有最低的腐蚀速率(2.174 × 10⁻⁴ mpy)和最高的电阻率(4.96 × 10⁵ Ω cm²),在恶劣环境中显示出比Mg基底更优异的防腐性能。

引言

有机杂原子化合物传统上被用于在无机材料上形成有序的自组装多层结构[[1], [2], [3], [4]]。利用“浸渍化学涂层和等离子体电解”方法进行有机化合物的有序自组装是化学领域中制备化学复合体和功能性材料的最活跃方法之一。该方法基于自然界中分子通过自组织构建(超有机)结构的方式。例如,许多有机分子(如硫醇盐)通过范德华力和简单的几何偏好在Au(111)等基底上有序排列,从而揭示了形成明确化学结构背后的驱动力[5]。通过自组装技术已经开发出了多种有机分子结构,其中有机部分是常用的组成单元。
在基底表面,分子-基底和分子-分子之间的相互作用对于决定有机层的最终几何形状至关重要。例如,具有不同官能团但骨架相似的有序有机分子会形成不同的自组装结构[6]。此外,表面上的类似分子自组装过程可以产生多种结构,这可能是由于吉布斯自由能的局部最小值在热力学上更受青睐,或者是因为晶体本身较为稳定[7,8]。自组装路径的复杂性可能导致形成亚稳态的晶体结构,这种结构对应于局部自由能的最小值。通过调整时间、冷却速率等参数,可以精细调控自组装相的最终分子几何形状[[9], [10], [11]]。
尽管8-羟基喹啉作为腐蚀抑制剂已在溶液中得到广泛研究,但8-HQ在PEO衍生的多孔MgO表面的溶剂依赖性自组装行为及其形成的杂化结构仍大多未被探索。此外,8-HQ与MgO之间的界面键合机制以及它们在不同溶剂中的行为尚未通过实验表征和密度泛函理论(DFT)计算进行全面研究。因此,本研究为溶剂控制的自组装提供了新的见解,揭示了类似花朵的杂化结构的形成及其对AZ31 Mg基底抗腐蚀性的协同贡献。我们提出了一系列针对不同化学基团在多孔无机表面上的分子自组装行为的研究,考虑了化学化合物之间物理键合强度从弱到强的各种情况。结果表明,可以在具有不同表面形态的无机表面上构建分层的8-HQ@MgO结构,从而实现显著的抗腐蚀性能。将8-HQ掺入无机层显著提高了有机-无机结构的耐久性和多功能性,为无机涂层的先进应用开辟了新的可能性。此外,我们的研究表明,基于8-HQ的有机-无机材料在多孔基底表面上的电化学稳定性明显高于相关多孔涂层层,进一步突显了其优越的稳定性。

部分内容摘录

无机涂层的制备

AZ31 Mg合金先用2400目的SiC砂纸抛光,然后用蒸馏水冲洗,并在纯乙醇中超声清洗。用于制备无机层的电解质组成为9 g L⁻¹ NaAlO₂、5 g L⁻¹ KOH、5 g L⁻¹ C₃H₈O₅和3 g L⁻¹ N₂H₄[13]。样品和不锈钢网分别作为阳极和阴极放置在一个装有搅拌和冷却系统的玻璃容器中,温度约为288 K。如图1所示,这一过程如下:

结构和成分表征

通过等离子体电解(PE)和浸渍化学涂层(DCC)等方法制备了自组装的8-羟基喹啉@MgO材料。8-HQ与无机MgO层(受体)之间的复杂相互作用产生了多种有趣的组合,包括类似花朵的结构、三维花状结构和棒状构型。这些结果表明,在大多数自组装过程中,非共价键(如氢键)起着关键作用。

结论

我们研究了8-HQ在乙醇、甲醇和水中的有序有机自组装行为,并通过结构分析以及FT-IR和DFT计算确认了8-HQ@MgO杂化材料形成的键合机制。这些在多孔无机层上具有类似花朵有机结构的8-HQ@MgO材料显示出开发新型功能性8-HQ@MgO材料的巨大潜力。

作者贡献声明

盛玉军:研究、数据分析、初稿撰写、审稿与编辑。法拉·哈兹马图尔哈克:方法学研究、数据分析、初稿撰写。巴斯姆·阿斯福尔:方法学研究、数据分析。阿卜杜勒·瓦哈布·阿拉夫:计算工作、方法学研究、数据管理。韦尔·阿尔·祖比:数据分析、初稿撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

生物通微信公众号
微信
新浪微博


生物通 版权所有