第一作者：深圳大学土木与交通工程学院 严咸通 助理教授
通讯作者：深圳大学土木与交通工程学院 崔宏志 教授
近日，深圳大学崔宏志教授团队在滨海基础设施锈蚀防护领域取得突破性进展。相关研究成果以“Dual-path suppression of thermal and wetting-driven steel corrosion for marine structure”为题发表于国际权威期刊《Nature Communications》。本文提出一种基于辐射制冷与超疏水协同作用的热-湿双控抗锈蚀无机涂层。通过精细光谱设计与疏水性调控，建立了一种用于腐蚀防护的热-湿介导新方法，依托冷却缓蚀与离子阻隔协同作用，从腐蚀热力学过程和毛细驱动氯离子传输两条路径同步抑制钢筋腐蚀，实现单一防护手段无法达到的双重防护效果，为海洋基础设施在热-化学耦合劣化环境下长效服役提供了全新解决方案。同时，本文开创性揭示了辐射制冷与超疏水之间的相互增强机制：辐射制冷通过降温抑制冷凝和润湿转变，维持超疏水稳定性；超疏水通过自清洁和防水保护辐射制冷光学性能。该协同范式突破了传统单机制防护局限，实现了整体防护性能优于单一手段叠加的腐蚀抑制效果，为处于热-湿极端环境中的各类基础设施（桥梁、港口、码头和海上风电桩等）提供了全新的多物理场协同防护策略。
背景介绍
腐蚀是全球面临的一项重大挑战，每年造成约2.5万亿美元经济损失，其中海洋混凝土结构的钢筋腐蚀问题尤为突出。该问题在太阳辐射致热与海水渗透协同作用下会进一步加剧，其根本原因在于，太阳辐射致热产生的高温可通过Arrhenius效应指数级加速氯离子扩散和腐蚀反应速率，而海水渗透则为腐蚀介质提供直接传输通道，进一步加剧腐蚀劣化。
传统的腐蚀防护策略，如提高混凝土密实度、涂覆环氧涂层、使用耐腐蚀钢筋和采用阴极保护系统，通常仅针对单一腐蚀驱动因素，忽略了海洋环境中热-湿耦合协同加速腐蚀的本质。更为关键的是，现有辐射制冷材料虽可实现被动降温，但缺乏抵抗氯离子渗透能力；超疏水涂层虽可有效阻隔海水，却难以抑制热驱动腐蚀动力学加速。因此，在单一涂层系统中同步实现高效被动制冷、优异疏水性能和良好混凝土相容性，成为该领域亟待突破的技术瓶颈。
本文亮点
本文作者开发了一种热-湿协同抑制的被动抗锈蚀涂层（T-PAC），核心创新在于：
（1） 一体化双层构造设计：该涂层由碳矿化C2S/BaSO4复合凝胶底层（承担辐射制冷功能）和疏水SiO2纳米颗粒面层（承担抗润湿功能）构成。双层结构与混凝土基体通过化学键进行强结合，实现辐射制冷、基底相容与离子阻隔功能协同。
（2） 光谱精准调控：BaSO₄纳米颗粒赋予涂层94.6%的太阳光谱反射率和92.8%的大气窗口（ATW）发射率，使涂层在直射阳光下实现低于环境温度4.13 ℃的制冷效果，并通过Arrhenius动力学迟滞效应抑制热致锈蚀加速。
（3） 分级微纳超疏水结构：疏水SiO₂纳米颗粒层构筑分级粗糙表面，使涂层水接触角达到151.3°、滚动角低于5°，有效抑制毛细驱动氯离子传输。
（4） 双重机制协同增效：辐射制冷层通过降温提高超疏水层抗润湿稳定性；超疏水层则通过自清洁和防水作用保护辐射制冷层光学性能，二者形成互为增强的协同防护闭环。
图文解析
1 设计理念：从单机制防护到热-湿协同抑制
传统钢筋混凝土结构在海洋环境下面临双重挑战（图1a）：一方面，太阳辐射导致结构表面温度剧烈波动（深圳夏季典型日温可达18.9~57.4 ℃），高温加速氯离子扩散和腐蚀反应；另一方面，高湿度环境下海水毛细吸收形成连续电解质通路。传统环氧涂层、阴极保护等策略通常仅针对单一腐蚀驱动因素，难以有效应对热-湿耦合加速。
研究者设计的T-PAC涂层（图1b）采用双层结构：底层为碳矿化C2S/BaSO4复合凝胶，负责被动辐射制冷；面层为疏水SiO2纳米颗粒，用于抗浸润和离子阻隔。理论计算表明（图1c-d），当太阳反射率和ATW发射率均超过90%时，涂层可实现低于环境温度的日间辐射制冷；将温度从45 °C降至25 °C、相对湿度从85%降至60%，可使腐蚀速率降低约100%，充分证明热-湿协同抑制腐蚀的巨大潜力。
图1. 传统钢混结构与双重防护涂层的设计理念与防锈性能理论计算
2 涂层制备与多尺度结构表征
T-PAC制备采用五步法（图2a）：BaSO4纳米颗粒超声分散→与C2S粉体和减水剂混合→刷涂于混凝土基底→24h养护→CO2碳化养护（20% CO2，70% RH，30min）→喷涂疏水SiO2面层。所制备T-PAC在普通硅酸盐水泥（OPC）基底上呈白色外观（图2b），表明其具有较高太阳光反射能力。扫描电子显微镜（SEM）结果显示（图2c），T-PAC表面形成由SiO2纳米球随机堆垛构成的分级多孔结构，该结构既有利于太阳光散射，又可通过捕获空气层实现超疏水。截面SEM图（图2d-f）清晰展示了T-PAC双层结构：上层为致密堆垛SiO2纳米球，下层为C2S/BaSO4复合凝胶，两层之间界面过渡清晰；而C2S/BaSO4层与OPC基底之间通过化学键紧密结合，显著优于传统环氧涂层界面粘结特征。图2g显示，T-PAC与混凝土基底粘结强度达到1.61 MPa，显著高于文献报道的典型水泥基涂层粘结强度（0.4~0.8 MPa）。X射线衍射（XRD）和傅立叶红外光谱（FT-IR）分析（图2j-k）表明，引入BaSO4诱导了碳酸钙由亚稳态文石向热力学更稳定的方解石转变，有利于提高涂层力学性能和太阳光谱反射率。TGA定量分析（图2l）进一步证实，BaSO4可增强碳化产物结晶度。
图2. T-PAC制备流程与多尺度结构表征
3 超疏水与氯离子阻隔性能
海洋环境中存在静态浸泡和动态飞溅两种典型润湿状态。研究者首先开展静态润湿性测试。图3a显示，OPC表面呈超亲水特性（接触角为0°），C2S、C-C2S和CB-C2S涂层同样表现为亲水性（接触角均为0°）。相比之下，T-PAC接触角高达151.3°，水滴在其表面呈近球形。动态滚动角测试（图3b）进一步证实，T-PAC在倾斜角低于5°时即可实现水滴重力驱动滚落，而未改性涂层即使倾斜90°，水滴仍无法脱离表面。基于高速摄像的动态润湿性测试结果（图3d-e）显示，Weber为数86.7的水滴垂直冲击T-PAC表面后，可在40 ms内完全反弹；而在OPC表面，相同液滴则迅速铺展并被吸收。在高湿度（RH≈100%）和35 °C模拟海洋环境中，T-PAC质量增量几乎为零（图3f），而其他涂层均表现出显著海水吸收。
更为关键的是，T-PAC展现出优异的氯离子阻隔能力（图3g-h）：在海水过滤实验中，T-PAC几乎不透过任何含有腐蚀性离子的海水，表现出最强Cl⁻阻隔能力；而C-C2S和CB-C2S涂层由于碳化致密化和BaSO4孔隙填充作用，也展现出优于未处理C2S涂层的阻隔效果。上述结果表明，在渗透主导的阻隔机制中，表面润湿性起主要作用，而碳化致密化可提供额外阻隔屏障。
图3. T-PAC疏水性与氯离子阻挡性能
4 光谱特性与被动热调控性能
T-PAC辐射制冷性能取决于太阳光谱（0.28~2.5 μm波段）反射率和ATW（8-13 μm波段）发射率，二者可通过碳化时间、BaSO4掺量和涂层厚度调控。图4a显示，普通C₂S涂层平均太阳反射率（R̅solar）为76.14%，碳化处理后提升至81.44%；引入10 wt.% BaSO4 NPs后进一步提升至90.36%，超过亚环境日间辐射制冷理论阈值（90%）。当BaSO4含量增至50 wt.%时，R̅solar达到94.35%。值得注意的是，疏水SiO2面层对R̅solar影响极小，而所有C2S衍生涂层在ATW的平均发射率（ε̅ATW）均稳定在90.2%~92.35%，表明红外发射性能对成分变化不敏感。图4b显示，碳化时间存在30min最佳值，过长碳化会导致碳化产物部分屏蔽BaSO4颗粒，反而使R̅solar略有下降。图4c进一步表明，即使疏水层随时间失效导致涂层被海水润湿，太阳反射率也仅轻微下降，并在60min内自然恢复自91.6%。
为直观揭示T-PAC优异的光学性如何转化为辐射制冷性能，研究者开展了室内静态和室外动态热调控性能测试。在室内静态热响应测试中（图4d），OPC在1000 W/m2模拟太阳辐射下15min内升温至约50 ℃，而T-PAC在35min后仅升温至约36 ℃，降幅达14 ℃。户外动态测试（图4e）进一步证实，在深圳夏季晴朗日间强太阳辐射时段（11:00~13:00），CB-C2S和T-PAC样品实现亚环境降温，最高温降达到-4.13 ℃，而OPC、C2S和C-C2S样品均显著高于环境温度。理论计算结果（图4f-h）表明，T-PAC在干燥条件下净制冷功率达71.9 W/m2；即使疏水性能退化导致涂层润湿，蒸发散热补偿也可使净制冷功率恢复至接近干态水平，表明T-PAC在沿海高湿环境中具有稳定热调控性能。
图4. T-PAC光谱特性与被动热调控性能
5 腐蚀抑制性能验证
为进一步验证T-PAC防腐性能，研究者对实验样品开展电化学测试。图5a-c显示，在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡45min后，T-PAC涂层样品Nyquist谱图呈现出最大半圆直径，低频阻抗模值|Z|0.01超过103 Ω，显著高于其他对比组涂层（<400 Ω）；腐蚀电位（Ecorr.）最高（-0.47 V），腐蚀电流密度（icorr.）最低，表明T-PAC可为钢筋提供最有效防护。经30h盐雾处理后（图5d-f），T-PAC仍保持最大半圆直径和最高|Z|0.01值，但T-PAC与CB-C2S之间差距有所缩小。上述结果表明，在盐雾环境下，流体动压力降低，使T-PAC和CB-C2S致密微结构阻隔海水渗透能力差异减小；而OPC、C2S和C-C2S等对比组因自身高吸水性，即使在盐雾条件下也难以提供有效防护。
T-PAC优异防腐性能通过30次循环加速劣化实验（每次循环：3h盐雾+3h 1000 W/m2光照和18h环境暴露）得到进一步验证。既有等效分析表明，上述30次循环严苛处理相当于超过76年的自然海洋浪溅区暴露。图5g显示，T-PAC的|Z|0.01值在30次循环过程中几乎保持不变，而其他涂层|Z|0.01值均出现显著下降。图5h腐蚀电流监测进一步表明，T-PAC可显著延长锈蚀起始时间，且icorr.值始终维持在极低水平。30次循环后质量损失（图5i）结果更为直观：T-PAC单位面积质量损失接近0 g/m2，而OPC达到29.9 g/m2，CB-C2S为10.6 g/m2。定量协同分析表明，辐射制冷单独贡献71.6%的腐蚀速率下降，与实测74.3%高度吻合。
图5.腐蚀抑制性能验证
6 协同保护机制深度剖析
T-PAC辐射制冷与超疏水功能并非简单叠加，而是通过互为增强的协同保护闭环实现卓越防腐性能（图6a）。辐射制冷层通过降低表面温度，稳定海水在疏水表面的Cassie-Baxter状态，抑制冷凝和润湿转变，从而维持超疏水层稳定性。实验结果（图6b-e）表明，在模拟太阳光照下，T-PAC表面温度较对照样品（超疏水OPC）低约18.6 ℃；在90%高湿环境下，T-PAC表面仅出现离散微细冷凝液滴（<1 mm），呈现滴状冷凝，而对照样品则出现液滴聚并和膜状冷凝，标志其向Wenzel状态的转变，这是超疏水失效的前兆。与此同时，超疏水层通过自清洁和防水功能抑制海水吸收与污损附着，从而保护辐射制冷层光学性能。图6f-i显示，即使受到粘稠浆体污染，T-PAC在污损脱离后仍可恢复洁净白色表面，热调控性能几乎不变；而缺乏超疏水层的CB-C2S则被污损严重覆盖（约73.8%面积），太阳反射率出现不可逆下降。
基于上述机制，T-PAC实现了多阶段腐蚀抑制。（I）腐蚀萌生阶段：超疏水层作为第一道防线，物理阻挡超90%含氯海水侵入；冷却层作为第二道防线，可降低氯离子扩散系数约66.8%，显著延迟残余氯离子到达钢筋表面时间。（II）腐蚀扩展阶段：一旦氯离子突破屏障，冷却层转变为主防线，并通过Arrhenius动力学效应将腐蚀反应速率抑制达74.3%。上述互补机制使T-PAC整体防腐性能远超各单一功能叠加，实现高效腐蚀抑制。
图6. 辐射制冷与超疏水协同保护机制
研究总结
本文建立了热-湿协同抑制腐蚀防护新范式，通过将被动辐射制冷与超疏水功能集成于C2S基双层涂层，同时实现亚环境被动制冷（-4.13 ℃）和近零海水渗透（水接触角151.3°），有效解决海洋混凝土结构中热致腐蚀加速和湿致介质侵入两大关键问题。经过相当于76年自然暴露的加速老化测试后，T-PAC阻抗模值几乎不变，腐蚀电流仅增加0.02 μA/cm2，质量损失控制在1 g/m2下，较对照组低一个数量级。本文为多物理场腐蚀抑制提供了一种范式转变，即以热-湿调控取代传统单机制屏障策略，其材料设计原理可推广至一系列服役于湿热极端环境的基础设施结构。
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-71930-x
作者介绍
严咸通（Xiantong Yan），深圳大学助理教授，博士生导师，主要致力于仿生功能性界面能量调控与物质传输及在建筑节能领域的应用。主持国家自然科学基金面上项目1项、国家自然科学基金青年基金C类项目1项、中国博士后科学基金面上项目1项，并参与国家自然科学基金面上项目2项、深港澳科技计划C类项目1项；入选“第一批教育部海外引才专项（国家级）”和“广东省海外博士后人才引进计划”。在Nature Communications（IF=15.7，Nature子刊）、Science Advances（IF=13.7，Science子刊）、ACS Nano（IF=16.2）、Nano Energy（IF=16.8）等国际权威期刊发表SCI论文20余篇。其中，1篇论文被美国科学促进协会（AAAS）官方公众号重点报道，1篇论文被Science China: Physics, Mechanics and Astronomy编辑部列为特邀展示论文。Google Scholar总被引量1071余次，H指数15。
崔宏志（Hongzhi Cui），二级教授、博士生导师；国家杰出青年科学基金获得者、国家重点研发项目首席科学家、澳大利亚奋进研究学者，深圳大学“鹏城学者”特聘教授。现任深圳大学科学技术发展研究院院长、广东省低碳节能建筑工程技术中心主任、亚热带建筑与城市科学全国重点实验室副主任。主要从事结构-功能一体化建筑结构材料、能源地下结构、韧性材料及结构等方向研究。发表中英文科技论文200余篇，成果被国内外学者广泛引用；连续多年入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单、“全球前2%科学家科学影响力榜单”和“终身科学影响力排行榜”；授权发明专利20余件。获2023年广东省技术发明奖一等奖（排名1）、2023年安徽省科技进步奖一等奖（排名1）、2022年中国发明协会发明创业奖一等奖（排名1）、2018年广东省自然科学奖二等奖（排名1）、2018年深圳市自然科学奖二等奖（排名1）等科技奖励。
一审 | 卢秋月
二审 | 严咸通
三审 | 左英姿
