背景介绍

钢材凭借高强度、低成本和成熟的加工体系被广泛用于海洋工程、交通设施和土木基础设施。然而，在潮湿和含盐环境中，水、氧及氯离子会穿透涂层并触发钢材电化学溶解。对于已经锈蚀的钢表面，疏松多孔的锈层不仅削弱涂层—基体界面结合，还会形成局部腐蚀微环境，使传统以被动屏蔽为主的环氧涂层更易发生剥离和提前失效。因此，如何在尽量减少复杂除锈工序的同时稳定残余锈层，并持续抑制新生腐蚀，是工程现场长效防护面临的关键问题。

针对盐湿环境中锈蚀钢表面锈层疏松、传统环氧涂层界面附着不足且缺乏主动防护能力的问题，重庆大学张育新团队以天然多孔硅藻土为骨架，在其表面原位生长Ni–Co层状双氢氧化物（NiCo-LDH），经单宁酸化学改性后吸附负载缓蚀剂8-羟基喹啉，构筑TA/8-HQ@LDH-DE分级多孔缓释填料。该填料嵌入E51环氧树脂后，可协同实现物理屏蔽、锈层稳定和缓蚀剂响应释放。含20 wt.%填料的复合涂层在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡40天后，低频阻抗模量仍保持4.52 × 10⁸ Ω·cm²，约比纯环氧涂层高两个数量级；其涂层电阻达到1.07 × 10¹⁰ Ω·cm²。研究为锈蚀钢结构的原位维护和长寿命防护提供了一种兼具可喷涂性、多机制协同与规模化潜力的材料设计策略。

成果简介

由重庆大学材料科学与工程学院张育新团队牵头、联勤保障部队工程大学研究人员参与的研究提出了一种“载体构筑—界面转化—响应缓释”一体化策略。团队以硅藻土（DE）的中空多孔壳体为微米级骨架，在其表面原位生长Ni–Co LDH纳米片，形成多尺度曲折通道；随后以富含多酚羟基的单宁酸进行表面化学改性，并通过吸附辅助方式负载8-HQ，最终获得TA/8-HQ@LDH-DE复合填料。该填料可直接分散于环氧体系，并通过喷涂方式覆盖经简单机械处理的预锈蚀Q235碳钢表面。

形貌、物相和表面化学表征证实了复合填料的逐级组装：LDH纳米片均匀覆盖硅藻土表面，TA改性后层状骨架保持完整，8-HQ则以无定形或高度分散状态进入孔道。热重分析显示，8-HQ负载量约为25.97 wt.%；氮气吸附—脱附结果中孔体积和平均孔径的连续下降，也从侧面证明了TA与8-HQ对孔道的逐步占据。在不同pH环境下，复合填料呈现先快速释放、后持续释放的两阶段行为：酸性条件下LDH局部溶解加快释放，碱性条件影响层间交换平衡并促进扩散，而中性条件下稳定层状结构与较强界面作用共同延缓8-HQ迁移。

电化学阻抗谱显示，填料含量并非越高越好。20 wt.%是该体系的最优添加量：在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡40天后，该涂层的电阻R_c为1.07 × 10¹⁰ Ω·cm²，比纯环氧涂层高近三个数量级。划痕腐蚀观察进一步表明，30天后纯环氧涂层已出现明显锈蚀扩展，而20 wt.%复合涂层仅在划痕附近出现轻微锈蚀。其拉开法附着强度由纯环氧的4.31 MPa提升至5.77 MPa。相比之下，40 wt.%填料因团聚和结构缺陷导致性能下降，说明适度填充与均匀分散是发挥多功能填料优势的前提。

分子动力学与密度泛函理论计算为上述实验结果提供了微观解释。分级LDH-DE结构延长了H₂O、O₂和Cl⁻的扩散路径，复合填料同时降低环氧体系的腐蚀介质扩散系数与自由体积分数。TA能够与锈层中的Fe²⁺配位，促进疏松腐蚀产物向更稳定、致密的铁—单宁酸络合层转化；释放出的8-HQ则进一步与铁离子络合并在活性腐蚀位点形成保护层。TA–Fe²⁺和8-HQ–Fe²⁺体系的结合能分别为−2.9218 eV和−1.9053 eV，表明两种配位过程具有热力学自发性。由此，涂层形成“物理阻隔—界面锈转化—缓蚀剂响应释放—活性位点钝化”的多级协同防线。

该研究把传统静态阻隔涂层拓展为能够适应锈蚀界面演化的主动防护体系，并兼顾喷涂施工与规模化制备潜力。这一策略有望服务于海洋与沿海环境中的钢结构、桥梁、管线及既有基础设施维修，为难以彻底除锈的工程表面提供更具持续性的防护选择。

图文导读

TA/8-HQ@LDH-DE复合填料的构筑及锈蚀钢协同防护机制。

图片说明：以硅藻土为骨架原位生长Ni–Co LDH，经单宁酸改性并吸附负载8-HQ后形成分级多孔缓释填料；该填料分散于环氧树脂并喷涂至预锈蚀Q235钢表面，通过阻隔腐蚀介质、稳定锈层和响应释放缓蚀剂实现长效保护。

作者简介

论文作者包括重庆大学材料科学与工程学院、明月湖实验室、山区土木工程安全与韧性全国重点实验室的郭峰、陈俊炀和张育新，以及联勤保障部队工程大学的刘晓英。郭峰与陈俊炀为共同第一作者，张育新为通讯作者。

本研究得到泰山产业领军人才工程专项经费、国家自然科学基金（52378217）、中央高校基本科研业务费（2024CDJQYJCYJ-001）以及重庆市自然科学基金杰出青年科学基金（CSTB2025NSCQ-JQX0008）的支持。

张育新，重庆大学材料科学与工程学院教授、博导，明月湖实验室硅藻新材料首席，Nano Material Science执行副主编，科睿唯安全球高被引科学家、斯坦福大学全球前 2% 顶尖科学家终身榜单入选者，重庆市学术技术带头人、重庆市青年科技领军人才、英国皇家化学会会士、山东省泰山产业领军人才。长期聚焦硅藻基仿生纳米复合材料体系研究，深耕金属合金长效防腐、环境治理功能材料核心方向，系统开展极端环境军民基础设施安全运维理论与技术攻关。先后主持国家自然科学基金、军委科技委、国防科工局等国家级、省部级科研项目20余项，总被引29338次，H-index达96；牵头及核心参与斩获多项省部级一等奖：2022年重庆市自然科学一等奖（排名第1）、2018/2024年重庆市科技进步一等奖、2021年非金属矿科学技术一等奖（排名第1）。育人方面倡导本硕博贯通式科研培养模式，搭建特色硅藻材料本科生创新实践平台，指导学生斩获“互联网+”大学生创新创业大赛国赛金奖；深耕硅藻领域著作译介与科普传播，译著《硅藻纳米技术：进展与新兴应用》《硅藻：基础与应用》2部专业学术专著，另著《硅藻传奇》科普专著；深度推进产学研融合，联合海鹰空天材料研究院、安赛搏新材料等企业搭建跨领域中试平台。

硅藻新材料创新团队团队依托重庆大学材料学院、山地土木安全国家重点实验室、明月湖实验室搭建完整材料合成-多尺度表征-理论计算平台，核心方向为天然硅藻矿物改性、复合智能缓蚀载体、轻量化金属长效防护涂层、仿生功能材料。团队已在Nano-Micro Letters、Advanced Powder Materials、Nano Research、Chemical Engineering Journal等TOP期刊发表系列成果，掌握硅藻原位生长二维MOF、pH时序缓释填料等自主核心技术，面向航空、轨道交通、海洋装备轻量化金属防腐开展成果转化；常年招收材料、化工、生物方向硕博研究生，欢迎有志从事纳米防腐、仿生材料的同学投递咨询（邮箱：zhangyuxin@cqu.edu.cn）。

文章信息

Guo F, Chen J, Liu X, et al. Long-lasting corrosion protection of rusted steel via TA-driven chemical modification of LDH-diatomite and adsorption of 8-hydroxyquinoline. Nano Research, 2026, https://doi.org/10.26599/NR.2026.94909112.

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