海洋蕴藏着巨大的能源和资源潜力，成为世界各国发展和利用的重点领域[1]。然而，船舶[2]、钻井平台[3]、管道[4]、传感器[5]等海洋工程基础设施的表面会迅速形成生物膜。随后，微生物（如细菌和藻类）以及较大的海洋生物（如藤壶、贻贝、牡蛎和水螅）会在此定居并生长[6]，在几个月内形成密集的生物污损[7]。生物污损不仅严重影响海洋设备的性能和寿命[8]，还会带来特定的环境风险。因此，开发创新的材料或方法来抑制生物污损已成为研究的重点。
传统的杀菌涂层，尤其是含有有毒重金属的涂层，对海洋生态系统造成了严重破坏[9]。作为一种无毒的替代品，防污释放涂层（FRCs）能够减少生物体对表面的附着，并已在商业应用中取得成功[10]。然而，在静态或低流速条件下，FRCs的效能往往会下降[11]。此外，其柔软的弹性体基质容易受到磨损和撕裂，可能影响长期耐用性[12]。值得注意的是，受生物启发的水凝胶[13]通过表面的水化层抑制污损附着，是目前最有前景的环保防污材料[14][15]。然而，水凝胶较弱的机械性能对其耐用性构成了挑战。
两性离子水凝胶（例如磺丁烷甲丙烯酸酯（SBMA））表现出显著的防污潜力。两性离子水凝胶侧链上的正负电荷基团通过静电相互作用强烈结合水分子，在表面形成致密稳定的水化层[16]。这一物理屏障有效防止了蛋白质、微生物和大型生物的初始附着，使其适用于海洋环境中的长期防污应用。许多先前的研究证实了两性离子水凝胶在真实海洋环境中的优异耐用性和广谱防污性能[17]。将纳米材料掺入水凝胶中可以增强其机械性能[18]和防污性能[19][20]。二硫化钼（MoS₂）因其巨大的比表面积、较高的光热转换效率和出色的抗菌性能而受到广泛关注[21]。然而，块状MoS₂在水溶液中的分散性较差，限制了其增强水凝胶机械性能的效果[22]。目前，使用表面活性剂和有机溶剂的液相剥离方法是合成MoS₂纳米片的有效方法，但其高毒性限制了其应用[23]。近年来，绿色液相剥离技术（不使用溶剂或表面活性剂）逐渐受到关注，作为一种环保的替代方法。生物聚合物和多糖（如壳聚糖[24]、明胶[25]和纤维素[26]衍生物）通过静电相互作用、氢键或空间稳定作用改善了MoS₂纳米片在水中的分散性，在生物医学和抗菌应用中展现出巨大潜力。然而，这些方法仍存在应用范围有限（如pH适用范围窄、热稳定性差和机械强度不足）的问题。相比之下，羧基化的纤维素纳米纤维（CNF）具有独特的优势：表面负电荷（–COO⁻）有效稳定纳米片；优异的机械性能使其成为增强材料；并且它们通过绿色工艺从可再生资源中制备。
在本研究中，富含羧基（–COO⁻）的纤维素纳米纤维（CNF）被用作生物聚合物辅助剥离介质，将块状MoS₂转化为分散良好的MoS₂@CNF纳米片（图1）。随后，将MoS₂@CNF纳米片掺入两性离子磺丁烷甲丙烯酸酯（SBMA）和聚（乙烯醇）（PVA）中，成功制备出高强度的三层网络防污水凝胶（图1）。富含羧基的CNF不仅稳定了MoS₂@CNF纳米片的分散性，还通过作为增强网络和活性相互作用位点提升了水凝胶的机械性能。结果，即使在仅0.4 wt%的MoS₂@CNF添加量下，所制备的水凝胶也达到了6.42 MPa的高拉伸强度，超过了大多数以往报道的防污水凝胶[28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40]（图S1）。此外，该水凝胶表现出优异的防污性能，包括对蛋白质和藻类的良好抗附着性。更重要的是，本研究在没有使用有机溶剂的情况下实现了绿色MoS₂剥离、在低纳米填料含量下具有超高的机械强度，并通过了长期的海洋防污验证。通过90天的实际海水暴露测试，进一步证明了该技术在海洋应用中的实际潜力。
