铱氧化物pH传感器制备及性能表征

摘要

钢筋混凝土结构中引起结构破坏的最常见的原因之一是钢筋的锈蚀，混凝土内部高碱性环境使钢筋表面形成一层钝化膜防止钢筋锈蚀。CO2通过扩散作用进入混凝土内部与混凝土孔隙液中的 Ca(OH)2反应生成 CaCO3，导致混凝土孔隙液pH值降低，当混凝土孔隙液pH值低于9时钢筋钝化膜发生破坏，引起钢筋锈蚀。目前最常用的测试混凝土孔隙液pH值的方法有固液萃取法，挤压孔隙液法，但是这两种方法都属于破坏性的方法，无法对混凝土pH值进行实时的监测。因此，发展可埋入式的混凝土pH值传感器对于监测混凝土耐久性问题具有重要意义。
　　本文采用恒电流沉积法和高温碳酸盐氧化法两种方法制备氧化铱 pH电极，系统研究了恒电流沉积法的沉积电流密度，高温碳酸盐氧化法的氧化温度，碳酸盐种类对电极性能的影响，运用SEM、EDS、AFM、XPS等技术表征了电极的微观形貌和化学组成等方面的特点。将自制的氧化铱pH工作电极和锰/二氧化锰参比电极组合的传感器埋入砂浆中监测砂浆内部pH值的变化情况。
　　本文主要研究成果包括：
　　（1）恒电流沉积法制备的电极采用了0.16 mA/cm2，1 mA/cm2，2 mA/cm2，3 mA/cm2四种沉积电流密度，该方法制备的电极表面呈现“泥裂”状的形貌，随着沉积电流密度的增加，沉积层表面会析出越多的K2CO3，1mA/cm2沉积电流密度制备的电极表面粗糙度较大，呈现出高低起伏的形貌，且响应时间最快约为67s，能斯特标定的灵敏度和截距分别为74.91mV/pH，1001.43mV，相关度较好。恒电流沉积法制备的电极水合程度较高，沉积层容易脱落。
　　（2）高温碳酸钠氧化法采用700℃、750℃、800℃、850℃三种氧化温度制备电极，SEM照片显示随着氧化温度的提高电极表面块状颗粒越来越大，高温下出现了氧化膜的分层重叠等缺陷。高温碳酸钠氧化法制备的电极响应时间较长，大部分的测试中响应时间超过5min。
　　（3）高温碳酸锂加过氧化钠氧化法采用750℃、800℃、850℃三种氧化温度制备电极，结果显示随着氧化温度的提高电极表面颗粒变大，均匀性下降。750℃制备的电极响应时间在5s左右，电极的灵敏度和截距随着氧化温度的提高而降低。750℃制备的电极灵敏度为56.52mV/pH，641.76mV。电极经过老化后稳定性较好。
　　（4）高温碳酸锂氧化法采用750℃、800℃、850℃三种氧化温度制备电极，电极微观形貌呈现致密颗粒状结构，随着氧化温度的升高电极氧化层颗粒更加致密和均匀，氧化膜的结合力也有提高。850℃制备的电极响应时间在19s左右，电极灵敏度为54.6mV/pH，一个月的长期稳定性测试中电极电位减少了13.4mV/pH。高温碳酸锂氧化法850℃制备的电极性能最佳。
　　（5）高温碳酸锂氧化法制备的电极在半年的老化后，标定结果趋于一条统一的直线，在饱和Ca(OH)2溶液中对电极施加-200mV，恒压30min的恒电压处理方法，使电极标定的结果和自然老化半年的结果接近。恒电压处理法缩短了电极老化的时间，提高了电极的稳定性。
　　（6）综合考虑电极的表观形貌、响应时间、稳定性、能斯特响应等方面的因素，850℃高温碳酸锂氧化法制备的电极适合作为埋入式混凝土用 pH电极。氧化铱pH电极和自制的锰/二氧化锰参比电极组成的pH传感器E-pH标定具有较好的线性相关性，在砂浆中的测试显示该传感器可以用来进行砂浆pH值的监测。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 混凝土中钢筋的腐蚀

1.3混凝土pH值测试方法

1.4 pH传感器概述

1.5 本文的研究目的与研究内容

第2章 电化学沉积法制备氧化铱pH电极

2.1引言

2.2 试验试剂、材料及仪器

2.3 试验方法

2.4 结果和讨论

2.5 本章小结

第3章 高温碳酸盐氧化法制备氧化铱pH电极

3.1引言

3.2 试验试剂、材料及仪器

3.3 试验方法

3.4结果和讨论

3.5 本章小结

第4章 恒电压法处理电极

4.1 引言

4.2 电极老化

4.3 恒电压处理对电极的影响

4.4本章小结

第5章 pH传感器对砂浆pH值的监测

5.1 引言

5.2 试验材料、试剂和砂浆配比

5.3 试验方法

5.4结果和讨论

5.5本章小结

第6章 结论与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果及参与项目

致谢