二氧化钛涂层的制备及其光生阴极保护性能研究

摘要

金属腐蚀给人类社会带来巨大的经济损失和资源浪费。涂层和阴极保护是两种传统的金属防腐技术，通过阻止腐蚀介质与金属直接接触，或者使钢材表面极化以减缓腐蚀速率。光生阴极保护是指在光照条件下，当光子能量大于半导体能带间隙时，半导体价带电子被激发至导带，形成电子-空穴对，电子向低电势方向的金属表面移动，使得金属电位显著降低，低于自然腐蚀电位，起到保护金属的作用。与涂层相比，该技术对环境友好，维护容易；与传统阴极保护技术相比，不需要外加电流，不需要牺牲阳极，因此环保节能，成本低。
　　TiO2是典型的非牺牲性光生阴极保护材料，化学性质稳定，但是由于其禁带宽，无法充分利用太阳光，光电效率低；并且关闭光源后，产生的光生电子-空穴对复合较快，无法对金属提供长时间的阴极保护。针对以上问题，本文制备出了二氧化钛纳米管阵列（TNAs）并对其进行改性，以增加其光电转换性能，提供更多的光生电子，达到更好的光生阴极保护效果。主要研究内容如下：
　　（1）采用不同实验方法制备二氧化钛纳米管阵列（TNAs），通过扫描电子显微镜（SEM）研究TNAs的表面形貌，探究阳极氧化电位、氧化环境、氧化次数、煅烧时间、升温速率对TNAs基底形貌的影响，探究最佳制备条件。
　　（2）以TNAs为基底，利用原位电聚合的方法，在TNAs表面制备聚吡咯（PPy）薄膜，以增强TNAs光电极的光电转换能力。通过X射线衍射仪（XRD），扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM）,元素分析仪（HR-TEM-Mapping）等对制备的光电极进行形貌和性能的表征，使用开路电位（OCP），电化学交流阻抗谱（EIS）等方法测试光电极对于Q235碳钢的光生阴极保护效果。结果表明，模拟太阳光照条件下，优化的光电极能够提供60μA?cm2的电流密度，使碳钢电位降低至-0.82 V左右。由于聚吡咯的电子池作用，光路闭合后，光电极仍然能够对钢材提供超过1000秒的阴极保护。
　　（3）以TNAs为基底，使用光化学还原法制备了Ag/TNAs光电极，进而采用水热技术在其表面负载了具有良好光吸收作用的半导体MoS2，通过电化学方法研究复合光电极的光电性能及其对Q235碳钢的保护效果。结果表明，在可见光照射下，与Ag/TNAs相比，MoS2/Ag/TiO2光电极不能提供更大的光电流密度。因此，相对而言在光照条件下不能提供更强的光生阴极保护。然而由于MoS2的电子池作用，光电极对光生电子进行存储并在切断光源后释放出来，能够对碳钢提供超过1000秒的延时保护。
　　（4）对304不锈钢进行阳极氧化处理，然后采用水热法在其表面沉积一层TiO2，以期原位制备具有一维 TiO2阵列结构的薄膜，从物理和电化学两个方面对金属进行保护。结果表明，制备的复合材料在光照的条件下能够减少不锈钢的全面腐蚀，但是促进了不锈钢的点蚀，实际上增加了腐蚀的危害性。

目录

声明

第1章 前 言

1.1 研究背景

1.2 二氧化钛材料的制备方法

1.3 TiO2的光电性能改性

1.4 光生阴极保护性能测试

1.5 研究意义与目的

第二章 二氧化钛纳米管阵列光电极制备及形貌表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 实验结果与分析

2.4 结论

第三章 PPy/TNAs光电极的制备及其对Q235碳钢防腐性能的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与分析

3.4 结论

第四章 MoS2/Ag/TNAs光电极的构筑及其对Q235碳钢的光生阴极防腐性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 实验结果与分析

4.4 结论

第五章 TiO2纳米涂层的原位制备及光生阴极保护性能研究

5.2 实验部分

5.3 实验结果与分析

5.4 结论

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

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