为了降低能源消耗、实现能源可持续发展的目标，需要对传统的阴极保护技术进行革新。摩擦纳米发电机（TENG）可利用摩擦起电效应和静电感应，收集机械能转换成电能，并具有制备简单、不需频繁更换电源的优点。因此，将TENG作为外加电源应用于海洋腐蚀防护技术，对海洋工程进行保护具有巨大的应用潜力和应用价值。如何有效收集海洋能并具备高输出的TENG，以实现利用海洋能进行腐蚀防护的目的，成为了摩擦发电阴极保护技术的关键问题。

本文在总结海水腐蚀、阴极保护技术、摩擦发电阴极保护技术的基础上，利用新型二维材料MXene对有机材料进行掺杂，深入探讨阴极保护电化学原理，以提升阴极保护效果为目标，通过材料改性、设计合理的能量捕获结构，实现了MXene改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）、MXene改性芳纶纤维后的TENG的性能提升，总结了MXene改性提升TENG输出性能的机制，设计并探讨了垂直接触分离模式TENG、单电极海绵TENG、独立层旋转TENG的宏观模型收集机械能的优势。为海洋腐蚀与摩擦发电阴极保护技术提供了理论指导和借鉴。

（1）基于喷涂的方法，对PDMS进行了MXene材料掺杂和微纳结构改性，实现了稳定的材料掺杂、结构改性的双重改性后的性能提升。研究发现，MXene可以提高PDMS的介电性能和表面电荷密度；喷涂法将MXene颗粒带入PDMS内部，增加了PDMS电子存储深度和存储电荷量；微纳结构改性增加了有效接触面积。MXene改性的PDMS-TENG具有输出稳定性和材料稳定性，是一种可靠的阴极保护电源。

（2）基于牺牲模板法和静电自组装法，制备了PDMS海绵单电极TENG并对海绵进行MXene@聚多巴胺（PDA）改性，实现了性能的大幅度提升以及波浪能等机械能的收集利用。结果表明，海绵具有足够完成接触摩擦的孔径和超凡的耐压性能；PDA具备还原性，有效延长了MXene的氧化时间，并且二者复合以新键C-Ti-O进行连接，极大地降低了MXene的脆性；MXene具有高电负性，与Kapton耦合输出后，海绵TENG性能提升了1552%。海绵TENG收集机械能可进行阴极保护，而海绵的使用场景不受限制，各种道路和海洋中均可实现能量捕获，因而可对海洋、土壤中的金属实现原位能量收集与防腐蚀应用。

（3）基于机械能捕获的特点，设计了软-硬组合旋转结构并将垂直接触分离模式与之耦合。相比于软接触旋转TENG，软-硬组合结构比软接触结构具有更高的输出，通过对单体结构的优化设计，实现了一个转子两组独立层结构TENG。对结构进行了优化。软-硬组合结构输出稳定，实现了稳定的阴极保护效果。

（4）基于去质子化和溶解法，制备了芳纶纳米纤维膜（KANF），对其进行PDA-MXene改性，实现了电输出性能的大幅度提升与良好的阴极保护效果。MXene增强了KANF的介电性能，PDA同时破坏了MXene的渗流网络、降低了损耗因数，MXene与PDA二者互补，共同提升了KANF的储能密度。将KANF组装进改进后的旋转结构，提升了阴极保护效果。

第1章 绪论    1
1.1 金属腐蚀    1
1.1.1 海水腐蚀    1
1.1.2 海水腐蚀规律    2
1.1.3 海水腐蚀与防护技术    2
1.2 TENG发展概述    10
1.2.1 摩擦起电原理阐释    10
1.2.2 TENG各领域研究现状    11
1.2.3 TENG的四种模式    14
1.3 摩擦发电阴极保护技术的研究现状    15
1.3.1 材料改性    16
1.3.2 结构优化    18
1.4 选题意义与研究内容    20
1.4.1 选题依据    20
1.4.2 研究内容    21
第2章 MXene-PDMS薄膜摩擦纳米发电机在阴极保护中的应用    23
2.1 引言    23
2.2 实验部分    23
2.2.1 实验材料与仪器    23
2.2.2 MXene/PDMS薄膜的制备    25
2.2.3 MXene-PDMS-TENG的组装    25
2.2.4 材料与性能表征    26
2.3 结果与讨论    27
2.3.1 MXene/PDMS介电薄膜形貌分析    27
2.3.2 MXene/PDMS介电薄膜分子结构分析    29
2.3.3 MXene/PDMS介电薄膜电输出性能分析    30
2.3.4 MXene/PDMS-TENG电化学阴极保护效果    40
2.4 本章小结    42
第3章 PDA-MXene-PDMS海绵摩擦电纳米发电机在阴极保护中的应用    43
3.1 引言    43
3.2 实验部分    44
3.2.1 实验材料    44
3.2.2 PDMS海绵的制备    45
3.2.3 静电自组装法制备PDA-MXene改性PDMS海绵    45
3.2.4 单电极海绵TENG装置的构建    45
3.2.5 材料与性能表征    46
3.3 结果与讨论    47
3.3.1 PDMS海绵的机械性能分析    47
3.3.2 PDMS海绵的形貌与分子结构分析    52
3.3.3 PDMS海绵的电性能分析    56
3.3.4 PDMS海绵收集陆地运输中的机械能    65
3.3.5 PDMS海绵收集水路运输中的机械能    71
3.3.6 PMPS-TENG电化学阴极保护效果分析    73
3.4 本章小结    76
第4章 软-硬组合旋转独立层摩擦纳米发电机的性能研究和在阴极保护中的应用    77
4.1 引言    77
4.2 实验部分    77
4.2.1 实验材料与仪器    77
4.2.2 结构设计与组装    78
4.3 结果与讨论    81
4.3.1 转动模式电性能测试    81
4.3.2 垂直接触分离模式电性能测试    86
4.3.3 耦合电性能测试及阴极保护应用    91
4.4 本章小结    94
第5章 PDA-MXene-KANF旋转独立层摩擦纳米发电机在阴极保护中的应用    95
5.1 引言    95
5.2 实验部分    96
5.2.1 实验材料与仪器    96
5.2.2 KANF薄膜的制备    96
5.2.3 KANF薄膜的制备    98
5.2.4 旋转TENG的组装    99
5.2.5 材料与性能表征    100
5.3 结果与讨论    100
5.3.1 KANF薄膜形貌分析    100
5.3.2 KANF薄膜物相分析    111
5.3.3 KANF薄膜电输出性能分析    115
5.3.4 KANF-TENG电化学阴极保护效果    137
5.4 本章小结    140
第6章 结论与展望    143
6.1 结论    143
6.2 创新点    144
6.3 展望    144
参考文献    147
致  谢    160
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果    161