2纳米管表面改性及其复合膜对金属光生阴极保护性能的研究

发布时间：2016-12-07 09:21

  本文关键词：TiO_2纳米管表面改性及其复合膜对金属光生阴极保护性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

《中国科学院研究生院(海洋研究所)》 2015年

TiO_2纳米管表面改性及其复合膜对金属光生阴极保护性能的研究

李红  

【摘要】：近年来,Ti O2薄膜因其良好的环境友好性、化学稳定性、不消耗电能以及允许膜中存在少量缺陷等优点,其对金属的阴极保护应用引起了研究者广泛的关注。然而Ti O2只能吸收紫外光(仅占太阳光谱的3%),降低了对太阳光的利用效率,而且光生载流子容易复合,致使光量子的效率不高,无光状态下不能起到有效的光生阴极保护作用。为了解决上述问题,本研究将对Ti O2纳米膜进行表面改性,采用半导体复合、沉积贵金属等方法制备Ag/Sn O2/Ti O2、Cd Se/Ti O2、Cd Se/石墨烯/Ti O2、Cd Te/石墨烯/Ti O2纳米复合薄膜,以提高其光生阴极保护性能。本研究致力于研制不同的Ti O2纳米复合膜及表面改性技术,发展操作简单的溶胶-凝胶法、光还原沉积法和循环伏安法等方法在Ti O2薄膜表面沉积窄禁带的半导体和贵金属,研究复合膜对金属防腐方面的应用,探索Ti O2复合薄膜的表面结构与光电性质的相关性。通过表面改性技术以实现光生载流子寿命的延长,并改善暗态下的光生阴极保护作用,探索相应的反应机理。本文首先采用两次电化学阳极氧化法,在钛基底表面最先构筑具有特殊纳米结构的Ti O2纳米管阵列,然后再制备表面改性的Ti O2纳米管阵列。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射(UV-vis)、X射线光电子能谱(XPS)等手段分别表征所制备的纳米复合薄膜的晶型、形貌、光响应和组成等。并以3.5%Na Cl溶液为电解质溶液,测试Ti O2纳米管阵列膜及改性Ti O2纳米管阵列薄膜对304不锈钢或碳钢的光生阴极保护作用。主要的研究进展及成果如下:1.研究了纯Ti O2纳米管电解液温度、电压对Ti O2纳米管阵列对304不锈钢光生阴极保护性能的影响,结果表明电解液温度为25°C,电压30 V下制备的Ti O2纳米管,光生电子空穴对的分离效率较高,能够对304不锈钢达到最佳的保护效果。2.采用溶胶-凝胶法和光还原沉积法,在Ti O2纳米管阵列表面依次沉积Sn O2和Ag,考察了Sn O2膜层厚度和Ag含量对光生阴极保护性能的影响,筛选出对304不锈钢保护性能最佳的纳米复合膜。结果表明,沉积20次Sn O2,Ag NO3浓度为0.1 M时,纳米复合膜对金属的保护性能最佳。可见光照射时,复合膜的光致电流密度可以达到0.2 m A/cm2,耦合304不锈钢电极的光生电位降低至-980 m V,暗光条件下,可以维持保护作用达8 h以上。3.采用循环伏安沉积法在Ti O2纳米管阵列膜表面构筑石墨烯和Cd Se膜层,可以有效地提高其导电性和可见光利用率。结果表明:石墨烯和Cd Se均匀地覆盖在Ti O2膜表面,在纳米管口与管壁均有分布,其中Cd Se为立方晶型,平均粒径为25 nm。可见光照射下,复合膜的光电流可以达到750μA cm-2,对304不锈钢具有良好的光生阴极保护作用;切断光源后,延时阴极保护时间达12 h以上。4.采用吸光系数较高的CdTe(禁带宽度为1.5 eV)和导电性能优异的石墨烯材料对Ti O2纳米管进行改性,并采用光电化学和腐蚀电化学相结合的技术对复合膜的光生阴极保护作用进行研究。结果表明,可见光照条件下,该复合材料的光电流密度可达到800μA cm-2,耦合304不锈钢电极的开路电位稳定在-900 m V,能够实现有效的保护作用。5.初步探索改性的纳米管复合膜对耐蚀性差的碳钢材料的光生阴极保护作用。采用循环伏安法在纳米管表面构筑Cd Se量子点,考察电解质溶液中Se O2浓度对Cd Se/Ti O2纳米管形貌和光生阴极保护作用的影响。结果表明,可见光和暗态下复合膜对Q235碳钢具有良好的保护作用,Se O2浓度为15 m M时,光生电流响应和光生阴极保护特性最佳。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P755.3
【目录】：

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