纳米TiO2基复合薄膜的制备及光生阴极保护性能研究

摘要

在海洋工程装备中,大量钢结构件因为腐蚀而失效,通过电化学、覆盖层等方法有效提高其耐蚀性,从而延长装备的使用寿命.通过合成TiO2等光电转换薄膜,利用太阳能对金属构件进行光生阴极保护防腐,具有节能、节材、高效的特点,成为近几年腐蚀与防护的热点之一.本论文首先研究了不同结构的TiO2纳米线薄膜,并以ZnIn2S4、RGO和Bi2WO6二维纳米材料对TiO2纳米线薄膜进行改性,制备有序阵列的复合薄膜,构建异质结和电子快速传输通道,提高薄膜对不锈钢的光生阴极保护效果.本论文的主要研究内容包括以下几个方面:　　(1)以钛片基体为Ti源,采用碱性水热制备方法,原位合成TiO2纳米线薄膜.由于TiO2薄膜的生长特点,通过控制保温时间,制备出两种不同结构的TiO2纳米线薄膜:6h TiO2纳米线薄膜,纳米线垂直原位生长在基体表面,厚约3μm,具有较好的电子传输性能,TiO2纳米线可以作为光电子的传输通道,将半导体薄膜的光电子传输至基体上;24h TiO2纳米线薄膜,厚约12μm,长度超过薄膜厚度的纳米线在薄膜表面弯曲并形成具有一定方向性的密集网络,复杂的空隙通道可以增强薄膜的光吸收性能,而且纳米线形貌有利于光电子的传输.此外,TiO2纳米线薄膜作为基底,具有有序排列的纳米线阵列形貌和较大的比表面积,有利于其它半导体材料的复合.　　(2)利用ZnIn2S4纳米片改性24h TiO2纳米线薄膜,制备出类茎叶结构的3D ZnIn2S4纳米片/TiO2纳米线有序阵列复合薄膜,其中6h ZnIn2S4/TiO2复合薄膜具有优异的光电性能和光生阴极保护性能,光电流密度高达2mA/cm2,并可以将304不锈钢(304SS)的OCP负移至-1.17V vs.SCE.复合薄膜性能的主要影响因素:其一,ZnIn2S4将薄膜的太阳光吸收范围拓宽至可见光范围,大大提高了复合薄膜的光吸收性能;其二,特殊的形貌增加了太阳光利用率,有利于光生载流子的传输和消耗,提高了薄膜的光电性能;其三,构建ZnIn2S4/TiO2异质结,其能带匹配关系促使光生电子转移至TiO2导带上,然后传输至304SS表面,提高了光生电子的分离和传输过程,从而增强复合薄膜对304SS的光生阴极保护效果.　　(3)以6h TiO2纳米线薄膜为基底,复合ZnIn2S4和RGO二维纳米材料,制备ZnIn2S4纳米片/RGO/TiO2纳米线复合薄膜.与ZnIn2S4纳米片/TiO2纳米线复合薄膜对比,RGO对复合薄膜的影响如下:一方面,较大的片状RGO沉积在TiO2纳米线薄膜表面,构建成层层组装的ZnIn2S4纳米片/RGO/TiO2纳米线复合薄膜结构,改变了复合薄膜的形貌;另一方面,在复合薄膜中构建电子快速传输通道,促进光生电子的传输和分离过程,具有优异的光电性能,可见光照射条件下的光电流达到0.25μA/cm2.在模拟太阳光照射条件下,耦合电极的光电压负移至-1.12V vs.SCE,实现对304SS高效的光生阴极保护作用.　　(4)在TiO2纳米线薄膜表面负载2D Bi2WO6纳米材料,构建层层组装结构,初步探索复合薄膜的光生阴极保护性能的影响因素和机理.复合Bi2WO6可以拓宽TiO2纳米线薄膜的光吸收范围,且Bi2WO6晶体为三明治结构,缩短了其光电子跃迁距离,有利于光电子的产生和分离,从而提高TiO2纳米线薄膜的光生阴极保护性能.此外,水热反应溶液中大量的WO42-致使Bi2WO6形成纳米花形貌,由于特定的比表面积、丰富的介孔分布形貌和较窄的禁带宽度(2.65eV),促进了复合薄膜中光生电子的分离和传输.而且在Bi2WO6/TiO2复合薄膜中,较短的光电子传输通道有利于半导体薄膜中光生载流子的分离和传输,因此Bi2WO6纳米花/6h TiO2纳米线的光电性能最佳,对304SS具有良好的光生阴极保护作用.

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 腐蚀防护方法

1.1.2 光生阴极保护技术简介

1.2 纳米TiO2材料的光生阴极保护技术研究现状

1.2.1 TiO2材料简介

1.2.2 纳米TiO2薄膜的光生阴极保护技术研究现状

1.3 二维纳米材料的研究现状及进展

1.3.1 石墨烯

1.3.2 ZnIn2S4

1.3.3 Bi2WO6

1.4 课题研究的内容与意义

2.1 实验原料及设备

2.2 实验方案

2.3 样品的表征及性能测试

3 TiO2纳米线薄膜的生长机理研究

3.1 TiO2纳米线薄膜的合成过程

3.2 TiO2纳米线薄膜的生长过程

3.3 TiO2纳米线薄膜的光电性能

3.4 本章小结

4 ZnIn2S4纳米片/TiO2纳米线复合薄膜的合成及光生阴极保护性能研究

4.1 结构表征

4.2 光电性能的表征及影响因素探究

4.3 光生阴极保护性能与防腐机制

4.3.1 ZnIn2S4纳米片/TiO2纳米线复合薄膜的光生阴极保护性能

4.3.2 ZnIn2S4纳米片/TiO2纳米线复合薄膜的光生阴极保护机理

4.4 本章小结

5 ZnIn2S4/RGO/TiO2复合薄膜的光生阴极保护机理研究

5.1 结构表征

5.2 RGO对复合薄膜光电性能的影响

5.3 光生阴极保护性能表征

5.4 光生阴极保护性能机理研究

5.5 本章小结

6 Bi2WO6/TiO2复合薄膜的制备及光生阴极保护性能研究

6.1 结构表征

6.2 光电性能的影响因素探究

6.3 光生阴极保护性能表征

6.4 光生阴极保护机理研究

6.5 本章小结

7 结论

参考文献

致 谢

攻读硕士期间参与的项目及发表的论文