广东工业大学化工与轻工学院，广东省植物资源生物炼制重点实验室——两种新型有机硅/石墨烯基纳米结构表面用于海上防污的比较研究
文章合成了两种富含还原氧化石墨烯(RGO)和氧化石墨烯/勃姆石纳米棒(GO-γ-AlOOH)纳米填料的聚二甲基硅氧烷(PDMS)新型超疏水纳米复合材料系列，用于海洋表面防污(FR)。控制纳米填料在有机硅基质中的结构和分布会影响其自清洁和防污性能。γ-AlOOH纳米棒具有单结晶度，平均直径为10-20nm，长度<200nm。采用水热法制备RGO，采用化学沉积法合成GO-γ-AlOOH纳米复合材料，用作防污涂层材料。为了研究石墨烯基材料对表面、机械和FR特性的协同作用，这些纳米填料使用溶液浇铸方法分散在有机硅基质中。使用水接触角 (WCA)、扫描电子和原子力显微镜(SEM和AFM)研究表面的疏水性和防污性能。涂层的粗糙度、超疏水性和表面机械性能都因纳米复合材料分散的均匀性而得到改善。使用选定的微生物进行了30天的实验室评估，以确定涂层系统的防污效果。PDMS/GO-γ-AlOOH纳米棒复合材料对不同细菌菌株的抗菌活性优于PDMS/RGO纳米复合材料。这是由于其高比表面积和稳定化处理。
方案1. (A) GO通过改进的Hummers方法以及RGO片通过水热法的制备技术示意图；(B)通过溶剂热法制备γ-AlOOH纳米棒；(C) 通过超声法制备杂化GO-γ-AlOOH物。
方案2. 通过还原法和一步超声法与γ-AlOOH从GO制备RGO和GO-γ-AlOOH，分别用于船体的超疏水和FR涂层。
图1. HRTEM图像（A）GO和内部更高放大倍率的TEM图像，（B）RGO，（C）γ-AlOOH，（D）代表暗场 TEM 图像和制备的γ-AlOOH 纳米棒的Al和O元素的EDX映射; (E)GO-γ-AlOOH和(F)GO-γ-AlOOH纳米复合材料的EDX。
图2. (A)GO片、(B) RGO片、(C和D)不同放大倍数下的γ-AlOOH和(E)GO-γ-AlOOH 杂化物的SEM图像。(F)所制备的(a)GO、(b)RGO、(c) γ-AlOOH纳米棒和(d)GO-γ-AlOOH混合材料的XRD图解。
图3. (a-c)分别代表(a)未填充有机硅的基质、有机硅/RGO和有机硅/GO-γ-AlOOH纳米棒复合材料（3%纳米填料）的FESEM图像；(d-f)分别对未填充有机硅的基质、有机硅/RGO和有机硅/GO-γ-AlOOH纳米棒复合材料 (3%) 进行3D AFM分析。
图4. 未填充有机硅的基质、PDMS/RGO和PDMS/GO-γ-AlOOH的WCA测定（三个重复的标准偏差由误差线表示）。
图5. 暴露于盐雾测试250小时后，涂覆有(A)PDMS/RGO(3 wt%)和(B)PDMS/GO-γ-AlOOH(3 wt%)纳米复合材料样品的表面状况。
图6. (A) PDMS/GO-γ-AlOOH复合材料的WCA作为在不同pH值的溶液中浸泡10天的时间函数；(B) PDMS/GO-γ-AlOOH复合材料的热稳定性随时间变化（最多700小时）。
图7. 有机硅/GO-γ-AlOOH复合材料与各种规定和商业的FR涂层的对比说明。
图8. 在肉汤培养基中孵育30天，然后测试(a)PDMS/RGO和(b)PDMS/GO-γ-AlOOH纳米复合涂层样品在暴露于微生物环境中对抗多种细菌、酵母菌和真菌菌株后的生物降解性百分比。
图9. 引入涂层样品后微生物生长的分光光度法评估：（A和B）分别暴露于PDMS/RGO纳米复合涂层和PDMS/GO-γ-AlOOH纳米复合材料涂层下不同菌株1周的OD600；(C和D)暴露于PDMS/RGO和PDMS/RGO纳米复合材料涂层下不同菌株2周的OD600；（E和F）分别暴露于PDMS/RGO和PDMS/GO-γ-AlOOH纳米复合材料涂层下不同菌株3周的OD600。
图10.在暴露于最有效的生物降解性最低的涂层样品三周后，对于(A)PDMS/RGO(3%) 纳米复合材料和(B)PDMS/GO-γ-AlOOH (3%)纳米复合材料，耐受的微生物细胞血细胞计数图像。
图11. (a)暴露于PDMS/RGO纳米复合材料涂层样品后微生物菌株分别对革兰氏阳性、革兰氏阴性和真菌菌株的耐受性百分比；(b)暴露于PDMS/GO-γ-AlOOH纳米复合材料涂层样品后微生物菌株分别对革兰氏阳性、革兰氏阴性和真菌菌株的耐受性百分比。
图12. 未使用的PDMS（A和B）、PDMS/RGO(3 wt%)(C和D)及PDMS/GO-γ-AlOOH(3 wt%) (E和F) 的纳米复合涂层结构在天然海水中浸泡45天前后的现场试验图像。
相关研究成果由广东工业大学化工与轻工学院，广东省植物资源生物炼制重点实验室Mohamed S. Selim等人于2021年发表在Journal of Colloid and Interface Science (https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.08.026)上。原文：A comparative study between two novel silicone/graphene-based nanostructured surfaces for maritime antifouling。