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二维共轭复合光催化剂赋能氟碳树脂涂层：防污性能的深度探索与机制解析

一、引言

1.1研究背景与意义

海洋，作为地球上最为广袤且复杂的生态系统，蕴含着无尽的资源，在全球经济与人类发展进程中占据着举足轻重的地位。随着海洋开发活动的蓬勃兴起，海上钻探、海水捕捞、远洋航运以及海岸工程等领域持续拓展，海洋所蕴藏的巨大财富正逐步被挖掘。然而，海洋中种类繁多的污损生物，却给人类开发利用海洋带来了诸多难题。

海洋污损生物，又称海洋附着生物，是指那些生长在船底、海中设施表面的动物、植物和微生物。它们的附着会带来一系列严重危害。以船舶为例，藤壶、牡蛎等大型污损生物在船体和螺旋桨上大量附着，会显著增加船舶航行的阻力，导致船速降低。为了维持原有的航行速度，船舶不得不消耗更多的能源，从而增加了运营成本。有研究表明，船舶表面附着一定量的污损生物后，能耗可能会增加10%-30%。污损生物还会对海洋设施的结构造成破坏，如藤壶坚硬的外壳可能会划伤船体，牡蛎的附着会影响管道的密封性，进而影响设施的使用寿命和安全性。此外，污损生物的存在还可能加速金属的腐蚀，海洋腐蚀主要通过电化学腐蚀进行，而污损生物会加快这一过程，使金属材料的腐蚀速度加快。

为了解决海洋污损生物带来的问题，人们采取了多种处理方法。早期的防污涂料中常含有汞、砷等剧毒防污剂，虽然在短期内能够有效防止污损生物附着，但这些有毒物质会对海洋生态环境造成严重破坏，随着时间的推移，其弊端愈发明显。随后出现的氧化亚铜防污涂料以及有机锡自抛光防污涂料，在一定程度上改善了防污效果，但有机锡类防污剂对海洋生态的破坏作用也引起了全球的关注。20世纪80年代以后，无毒防污涂料的研发成为重点，其中低表面能防污涂料，如基于氟碳树脂和有机硅弹性体的防污涂料，利用涂层的低表面自由能及低沾污特性来防污，受到了广泛关注。

氟碳树脂作为一种高性能的新型高分子材料，具有优异的耐候性、耐久性、耐化学药品性、防腐性、耐热性、耐寒性、耐磨性、绝缘性、非粘附性和耐污染性等特点。这些特性使得氟碳树脂在海洋防污领域展现出独特的优势，基于氟碳树脂制备的防污涂层能够在海洋环境中长时间保持稳定的性能，有效抵御污损生物的附着。然而，传统的氟碳树脂涂层在防污性能上仍存在一定的局限性，其防污效果难以满足日益增长的海洋开发需求。

二维共轭复合光催化剂是近年来发展起来的一类新型光催化材料，它结合了二维材料独特的结构和共轭体系的优异性能，在光催化领域展现出巨大的潜力。将二维共轭复合光催化剂引入氟碳树脂涂层中，有望通过光催化作用产生具有强氧化性的活性物种，如羟基自由基和超氧自由基等，这些活性物种能够破坏污损生物的细胞膜和蛋白质结构，从而达到抑制污损生物附着的目的。这种改性方法不仅能够提高氟碳树脂涂层的防污性能，还具有环境友好的特点，不会对海洋生态环境造成额外的污染。

本研究旨在深入探究二维共轭复合光催化剂改性氟碳树脂涂层的防污性能，通过系统研究改性涂层的制备工艺、结构与性能关系以及防污机理，为开发高效、环保的海洋防污涂层提供理论依据和技术支持。这对于推动海洋开发事业的可持续发展，减少污损生物对海洋设施的危害，降低运营成本，保护海洋生态环境具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

在海洋防污涂层的研究方面，国内外学者取得了丰硕的成果。早期的研究主要集中在含毒防污剂的开发与应用，如含汞、砷等剧毒防污剂的早期防污涂料，虽然能有效防污，但对海洋生态造成了严重破坏。随着环保意识的增强，无毒防污涂料逐渐成为研究热点。其中，低表面能防污涂料基于氟碳树脂和有机硅弹性体，利用低表面自由能及低沾污特性防污，具有一定的防污效果。有研究表明，基于氟碳树脂的低表面能防污涂料在一定时间内能够有效减少污损生物的附着量。有机硅涂层也因其优异的耐候性、耐化学性和耐水性，在海洋防污领域得到了应用，通过引入特殊官能团，可进一步提高其附着力和耐磨损性能。

在半导体光催化技术用于海洋防污的研究中，半导体光催化剂如TiO?、Ag?WO?、BiOIO?等受到了广泛关注。TiO?由于其化学稳定性好、催化活性高、价格低廉等优点，成为最早和最常用的半导体光催化剂之一。在可见光照射下，TiO?能够产生光生电子-空穴对，这些电子和空穴与水分子、氧气等反应，生成具有强氧化性的羟基自由基和超氧自由基，从而降解有机污染物和杀灭微生物。然而，TiO?的光催化效率受到其光生载流子复合率高和光谱响应范围窄的限制，只能吸收紫外光，对太阳能的利用率较低。

为了提高半导体光催化剂的性能，研究人员将目光投向了二维共轭材料，如g-C?N?和石墨烯。g-C?N?是一种具有可见光响应的二维共轭聚合物光催化剂，其独特的电子结构和良好的化学稳定性使其在光催化领域展现出潜力。通过与其他半导体材料复合，如g