TiO2纳米结构及其复合膜对金属光生阴极保护性能的研究

摘要

近年来，TiO2薄膜因其具有环境友好、化学稳定、在不需要消耗电能的同时可允许存在少量缺陷等优点，引起了研究者在光生阴极保护方面的广泛关注。然而TiO2只对紫外光有响应（约占太阳光谱的3％），光生载流子易复合，造成了这种材料对光能利用率不高，在暗状态下不能有效的进行光生阴极保护作用。为了解决上述问题，本研究将会对TiO2纳米线膜做表面改性，通过贵金属沉积、半导体复合等方法制备出银/磷酸银/二氧化钛纳米复合膜、银/铁酸钴/二氧化钛纳米复合膜，从而提高了TiO2的光生阴极保护性能。
　　本研究的目的是通过操作简单的浸渍-沉积法、光还原法以及水热法等方法，制备出不同的可以对TiO2纳米线进行表面改性的复合材料。通过在TiO2纳米线的表面沉积贵金属以及复合禁带宽度比较窄的半导体，来研究该复合膜对金属腐蚀防护方面的能力，以及其表面的结构与其光电性质的相关性。研究经过对薄膜表面改性，可以增加光生载流子量，减少电子-空穴对的复合，在无光条件下也可以对不锈钢起到保护作用，同时，探索与之相关的保护机理。
　　本文采用一次氧化法，在钛基底的表面先构建出TiO2纳米线，形成有特殊结构的纳米网。之后在形成的纳米网上面进行表面改性。通过使用扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见漫反射(UV-vis)、X射线光电子能谱(XPS)等手段分别表征所得到的纳米膜的晶型、形貌、光响应以及其组成成分。用3.5％氯化钠溶液电解质溶液简单模拟海水，观测纯TiO2纳米线以及改性后的TiO2复合膜耦合304不锈钢之后产生的保护性能。主要的研究成果如下:
　　(1)研究了在制备纯TiO2纳米线过程中，电解液浓度、时间对其形貌以及对304不锈钢进行光生阴极保护效果的影响，结果表明电解液浓度为2M氢氧化钠，反应时间为180min下制备的TiO2纳米线，光生载流子寿命长，对304不锈钢阴极保护性能最佳。
　　(2)采用浸渍-沉积法和光还原沉积法，在TiO2纳米线表面首先沉积磷酸银在选出最佳条件之后沉积银纳米粒子，考察磷酸银沉积次数和银含量对光生阴极保护性能的影响，从而得到对304不锈钢保护性能最好的复合膜。结果表明，沉积6次磷酸银，硝酸银浓度为0.1M时，所得到的纳米复合膜对304不锈钢保护性能最好。当可见光照射时，复合膜光电流密度最高可达到70μA·cm-2，耦合304不锈钢后，在阴极阳极面积比为1:1的条件下，电极所产生的光生阴极保护电位降低至-550mV，在无光条件下，也可以对304不锈钢有一定的保护作用。
　　(3)采用水热法和光还原法在TiO2纳米线表面依次沉积铁酸钴和银，从而提高电子-空穴的分离和对太阳光的利用范围。结果表明，在铁酸钴反应时间为9h，沉积硝酸银浓度为0.1M的条件下制得的银/铁酸钴/二氧化钛纳米复合材料，光电流密度最高可达到450μA·cm-2，耦合304不锈钢后的电极所产生的光生阴极保护电位降低至-970mV，由此可以得出，该复合材料可以对304不锈钢产生有效的阴极保护作用，同样，在暗条件下，也可对304不锈钢产生一定的保护作用。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．1．1 海洋环境中金属腐蚀的危害和损失

1．1．2 光生阴极保护技术简介

1．2 纳米TiO2薄膜的研究背景及进展

1．2．2 TiO2的能带结构

1．2．3 纳米TiO2晶体和表面结构

1．2．4 纳米TiO2的掺杂方法与改性手段

1．3 纳米材料研究现状及进展

1．3．1 纳米材料概述

1．3．2 纳米膜材料的制备

1．4 本研究选题目的与意义

第二章 纯二氧化钛纳米线对304不锈钢的保护性能

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 TiO2纳米线的制备

2．2．3 304不锈钢电极的制备

2．2．4 纯TiO2纳米线的表征

2．2．5 纯TiO2纳米线耦联304不锈钢的电化学性能测试方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 氢氧化钠浓度对TiO2纳米线性能的影响

2．3．2 反应时间对TiO2纳米线的影响

2．4 本章小结

第三章 银／磷酸银／二氧化钛复合膜耦联304不锈钢的性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验仪器与设备

3．2．2 银／磷酸银／二氧化钛纳米复合膜的制备

3．2．3 银／磷酸银／二氧化钛纳米复合膜的表征

3．2．4 银／磷酸银／二氧化钛纳米复合膜耦联304不锈钢的性能测试手段及装置

3．3 结果与讨论

3．3．1 银／磷酸银／二氧化钛纳米复合膜的筛选

3．3．2 银／磷酸银／二氧化钛纳米复合膜的形貌和结构表征

3．3．3 银／磷酸银／二氧化钛纳米复合膜的XPS分析

3．3．4 银／磷酸银／二氧化钛纳米复合膜的紫外可见吸收光谱

3．3．5 银／磷酸银／二氧化钛纳米复合膜的光电流分析

3．4 本章小结

第四章 银／铁酸钴／二氧化钛复合膜耦联304不锈钢的性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．3 银／铁酸钴／二氧化钛纳米线复合膜的表征

4．2．4 银／铁酸钴／二氧化钛纳米线复合膜耦联304不锈钢的电化学性能测试方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 银／铁酸钴／二氧化钛纳米线复合膜的筛选

4．3．2 银／铁酸钴／二氧化钛纳米线复合膜形貌和结构表征

4．3．3 银／铁酸钴／二氧化钛纳米线复合膜的XPS分析

4．3．4 银／铁酸钴／二氧化钛纳米线复合膜紫外可见吸收光谱

4．3．5 银／铁酸钴／二氧化钛纳米线复合膜的光电流谱分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文