海洋船舶、海上平台、海水管路，码头钢桩、海上风电和海水养殖网箱等海洋设施设备与水生环境长期直接接触，极易受到生物污损的侵害，造成燃料消耗增加、服役寿命下降及安全风险加大等不利影响。生物污损具有危害面广、防治复杂等特点，已成为世界性难题。尤其是近年来，随着国家各类新型海洋装备设施不断投入使用，生物污损问题已成为制约水下设施设备安全高效运行的瓶颈问题之一。涂层防污技术因其普遍适用性和良好的经济性得到广泛应用，但传统防污涂层因含有大量烈性毒剂而对海洋生态造成严重危害。自2008年全球禁止使用有机锡防污涂料以来，防污材料面临着愈加严厉的环保要求，许多已开发的防污材料难以满足环境友好、广谱高效防污的需求。要有效防治生物污损，需综合考虑经济、环境、安全等因素，采取多样化的抗菌防污策略。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料重点实验室苛刻环境材料耦合损伤与延寿团队长期致力于新型环保抗菌防污材料的设计、规模化可控制备、及涂层在海洋苛刻环境下污损防护等方面的微观机制与工程应用研究(J. Colloid. Interf. Sci. 2024, 653 (Pt A), 833-843.、Prog. Org. Coat. 2024, 186, 108075-108085.、J. Colloid. Interf. Sci. 2023, 629, 496-507.、Adv. Mater. Interfaces 2022, 9 (9), 2101920-2101929.、Prog. Org. Coat. 2022, 167, 106864.、J. Colloid. Interf. Sci. 2022, 607, 1424-1435.)。近日，该团队提出了基于多元协同增效防污和绿色防污的材料设计思路，开发了一套光催化/自更新双效防污的g-C3N4纳米片/可降解聚席夫碱基复合材料体系。聚席夫基底树脂作为一种完全可降解的树脂，具有自更新表面和环保防污特征，但其防污效率有待提升。g-C3N4二维纳米片具有高效光催化杀菌能力且兼具环保型，但其在涂层体系中的高效利用和光催化功能失活问题有待解决。本研究工作提出将光催化抗菌g-C3N4超薄二维纳米片(g-C-NS)与可降解的聚席夫碱基树脂复配，设计并构建了一种二元协同复合防污涂层体系(图1)。二元协同防污涂层的可降解特征促使内部包埋的光催化剂逐步暴露于防污界面，实现催化剂的100%高效利用和按需释放。同时，光催化剂的光响应特征可有效调控涂层的降解能力(1~40倍可调)和增强其防污能力，实现超99%的高效抗细菌粘附和保持表面长效洁净。即使在光照不足的情况下，涂层的降解-自我更新特性也能保持表面清洁，抗细菌粘附率达94.58%。本文报道的复合涂层实现了光响应降解和杀菌的协同作用，能有效防止细菌在水体中增殖，从而增强了在实际水生环境中使用这种策略防治生物污损的潜力。
相关研究成果以题为“Designing a photocatalytic and self-renewed g-C3N4 nanosheet/poly-Schiff base composite coating towards long-term biofouling resistance”(DOI: 10.1039/d4mh00550c)发表在英国皇家学会旗舰期刊Materials Horizons。宁波材料所硕士研究生吴赛君为论文第一作者，宁波材料所严明龙助理研究员、赵文杰研究员为论文通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金(52103133、52105230)、浙江省重点研发计划(2023C03013、2022C01183)、宁波市科技创新2025重大项目(2020Z053)、宁波材料技术与工程研究所“所长基金”(2023C01089)的支持。
图1 g-C3N4纳米片/聚席夫碱基复合防污涂层的设计思路与防污机制
