海洋环境下新型光催化材料的光电化学阴极保护性能研究

摘要

金属材料在海洋环境中的腐蚀问题十分严重，传统的腐蚀防护方法主要包括有机涂层和牺牲阳极阴极保护等方法。其中，牺牲阳极是一种简单易行、投资较少且不需要外加电流的电化学保护法，在实际生产中应用广泛。但由于牺牲阳极存在自身消耗快、效率低、寿命短等缺点，导致其需要频繁更换，消耗大量金属材料。 近年来，环保的光催化材料在金属的电化学阴极保护中的应用研究已引起人们的广泛关注。传统的粗晶TiO2半导体由于具有较宽的禁带从而仅具有紫外光区响应，并且较高的载流子复合率抑制了其光电转换效率，应用效果欠佳。因此，常采用贵金属沉积、半导体复合和过渡金属离子掺杂等表面修饰的方法提高其光催化活性。同时，大量关于探索研发新型光催化材料如ZnO、CdS、WO3、Ta3N5的工作也取得了较好的结果。 本文研究了Co(OH)2表面修饰的TiO2和新型Ta3N5光催化材料的电化学保护性能。研究了两种材料在3.5wt％NaCl模拟海水环境中对304不锈钢的电化学保护行为及机理，并对腐蚀前后的材料进行表征分析，为光催化阴极材料的研发工作提供理论基础。获得以下主要结论: 1、对于TiO2光催化材料: (1)锐钛矿型和金红石型TiO2与304不锈钢耦连后，光照下电极电位分别下降至-0.30V和-0.16V，锐钛矿型TiO2可实现对不锈钢（自腐蚀电位为-0.17V）的电化学保护。 (2)经Co(OH)2修饰后，两种晶型TiO2与不锈钢耦连后电极电位分别降至-0.42V和-0.25V，实现二者均可对不锈钢进行电化学保护。同时长周期测试结果显示，二者在光照12h后电位仍能稳定在-0.31V和-0.20V，可实现对不锈钢的长时间保护。Co(OH)2表面修饰可促进光生h-e分离，为电化学反应提供更多活性位，提高光电性能，从而大大增强了对金属的电化学保护。 (3)腐蚀浸泡40天后，Co(OH)2从薄膜上脱落，TiO2纳米管有轻微堵塞，致使其电位变化至不锈钢自腐蚀电位附近，保护性能降低。 (4)热处理温度变化通过改变纳米管结构，进而影响TiO2光生电子的转移。500℃时Co(OH)2修饰后的锐钛矿电化学保护性能最佳。 2、对于新型Ta3N5光催化材料: (1)无修饰的Ta3N5和CoPi/Co(OH)2表面修饰后的Ta3N5与304不锈钢耦连后，光照下开路电位分别下降至-0.11V和-0.45V，CoPi/Co(OH)2表面修饰后的Ta3N5可实现对不锈钢的电化学保护。 (2)光照下Ta3N5耦连电极其电位下降后又缓慢上升，Co(OH)2部分脱落，Ta3N5材料自身易被空穴氧化，电化学保护性能不稳定，长期应用仍存在一定的困难。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2海洋环境腐蚀与防护

1．2．1海洋资源与海洋环境腐蚀现状

1．2．2海洋环境腐蚀防护措施

1．3牺牲阳极阴极保护

1．3．1牺牲阳极的原理和优点

1．3．2牺牲阳极的缺点和不足

1．4光电化学阴极保护

1．4．1光催化材料

1．4．2光电化学阴极保护原理

1．4．3提高光催化材料性能的方法

1．5光催化材料制备

1．6本文研究的目的和内容

1．6．1研究目的

1．6．2研究内容

第2章实验材料与方法

2．1化学药品、试剂与仪器

2．2 TiO2材料制备及表面修饰

2．3．1 Ta3N5材料制备

2．3．2 CoPi／Co(OH)2表面修饰

2．4光催化材料的电化学性能评价

2．4．1光源选择

2．4．2光电化学保护性能评价

2．5光催化材料的表征与光学性能测试

第3章Co(OH)2表面修饰TiO2对304不锈钢的光电化学保护性能研究

3．1前言

3．2实验方法

3．2．1光电化学保护性能测试

3．2．2微观结构变化

3．2．3晶体类型分析

3．2．4表面元素分析

3．2．5吸收光谱测试

3．3．2 TiO2对304不锈钢的电化学保护性能

3．4 Co(OH)2表面修饰的TiO2及其对304不锈钢的电化学保护性能

3．4．2 Co(OH)2表面修饰TiO2的电化学保护性能

3．4．3腐蚀前后TiO2形貌变化

3．4．4晶体结构分析

3．4．5表面元素分析

3．4．6吸收光谱测试

3．5 锐钛矿热处理温度对304不锈钢的电化学保护性能的影响

3．5．1热处理温度的选择

3．5．2不同热处理温度及Co(OH)2表面修饰的锐钛矿电化学保护性能

3．5．3不同热处理温度下锐钛矿形貌变化

3．5．4吸收光谱测试

3．6本章小结

第4章新型Ta3N5对304不锈钢的光电化学保护性能研究

4．1前言

4．2实验方法

4．2．1光电化学保护性能测试

4．2．2微观形貌结构

4．2．3晶体类型分析

4．2．4表面元素分析

4．2．5吸收光谱测试

4．3 Ta3N5材料制备

4．4 Ta3N5对304不锈钢的电化学保护性能

4．5 Ta3N5材料表征

4．5．1形貌结构特点

4．5．2晶体结构分析

4．5．3表面元素分析

4．5．4吸收光谱测试

4．6本章小结

第5章结论

参考文献

致谢