TiO_2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,TiO_2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TiO_2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TiO_2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/铁酸钻/二氧化钛纳米复合膜,从而提高了 TiO_2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TiO_2纳米线进行表面改性的复合材料。通过在TiO_2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TiO_2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TiO_2纳米线以及改性后的TiO_2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TiO_2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2 M氢氧化钠,反应时间为180 min下制备的TiO_2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TiO_2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0.1 M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70AμA·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-550 mV,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TiO_2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9 h,沉积硝酸银浓度为0.1 M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450μ A·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-970 mV,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。