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纳米TiO_2涂层及其复合涂层的制备与光阴极保护性能研究

周民杰  
【摘要】: 金属腐蚀给人类带来巨大的经济损失,传统的金属防腐蚀方法均存在一定的缺陷。因此开发环境友好型的金属防腐蚀技术具有重要的科学意义与工业应用前景。将纳米TiO_2涂层光阴极保护技术应用于金属防腐蚀已引起人们的广泛关注。但是纳米TiO_2涂层只有在紫外光照下才有一定的光阴极保护作用,暗态下光生电子与空穴快速复合,无阴极保护作用。目前主要采用TiO_2耦合电子池材料的方法加以解决。 本文综述了纳米TiO_2涂层及其复合涂层的制备方法、光阴极保护特性及其应用的研究进展。研究了溶胶-凝胶法制备纳米TiO_2涂层的方法,对工艺进行优化,从而改善其光电化学效应,尽可能地提高涂层的光阴极保护性能;研究了SnO_2、WO_3、Sb_2O_5以及V_2O_5掺杂制备纳米TiO_2叠层涂层及其复合涂层的微观结构与光阴极保护性能,并对涂层的储存电子特性以及光阴极保护作用机理进行解释。获得以下主要结论: (1)纳米TiO_2涂层的制备及其光阴极保护性能 采用溶胶-凝胶法与浸渍提拉技术分别在304不锈钢与低碳钢表面制备了纳米TiO_2涂层。采用电化学方法研究了涂层的光电化学性能以及光阴极保护特性。结果表明,在3wt%NaCl溶液中,紫外光照下纳米TiO_2涂层对304不锈钢有良好的光阴极保护作用。在2.5wt%NaHCO_3溶液中,紫外光照下纳米TiO_2涂层对低碳钢有一定的光阴极保护作用。 (2)纳米TiO_2/SnO_2与TiO_2-SnO_2涂层的制备及其光阴极保护性能 采用溶胶-凝胶法与浸渍提拉技术在304不锈钢上分别制备了纳米TiO_2/SnO_2叠层涂层与纳米TiO_2-SnO_2复合涂层。采用电化学方法研究了涂层的光电化学性能以及光阴极保护特性。结果表明,紫外光照下纳米TiO_2-SnO_2复合涂层的光阴极保护作用好于纳米TiO_2/SnO_2叠层涂层。停止紫外光照后,纳米TiO_2/SnO_2叠层涂层的延时阴极保护时间可达7h,而纳米TiO_2-SnO_2复合涂层仅仅为45min。 (3)纳米TiO_2/WO_3与TiO_2-WO_3涂层的制备及其光阴极保护性能 采用溶胶-凝胶法与浸渍提拉技术在304不锈钢上分别制备了纳米TiO_2/WO_3叠层涂层与纳米TiO_2-WO_3复合涂层。采用电化学方法研究了涂层的光电化学性能以及光阴极保护特性。结果表明,紫外光照下纳米TiO_2-WO_3复合涂层的光阴极保护作用好于纳米TiO_2/WO_3叠层涂层。停止紫外光照后,纳米TiO_2/WO_3叠层涂层的延时阴极保护时间可达6h,而纳米TiO_2-WO_3复合涂层仅仅为30min。 (4)纳米TiO_2/Sb_2O_5与TiO_2-Sb_2O_5涂层的制备及其光阴极保护性能 采用溶胶-凝胶法与浸渍提拉技术在304不锈钢上分别制备了纳米TiO_2/Sb_2O_5叠层涂层与纳米TiO_2-Sb_2O_5复合涂层。采用电化学方法研究了涂层的光电化学性能以及光阴极保护特性。结果表明,紫外光照下纳米TiO_2-Sb_2O_5复合涂层的光阴极保护作用好于纳米TiO_2/Sb_2O_5叠层涂层。停止紫外光照后,纳米TiO_2/Sb_2O_5叠层涂层的延时阴极保护时间可达4h,而纳米TiO_2-Sb_2O_5复合涂层仅仅为30min。 (5)纳米TiO_2/V_2O_5与TiO_2-V_2O_5涂层的制备及其光阴极保护性能 采用溶胶-凝胶法与浸渍提拉技术在304不锈钢上分别制备了纳米TiO_2/V_2O_5叠层涂层与纳米TiO_2-V_2O_5复合涂层。采用电化学方法研究了涂层的光电化学性能以及光阴极保护特性。结果表明,紫外光照下纳米TiO_2-V_2O_5复合涂层的光阴极保护作用好于纳米TiO_2/V_2O_5叠层涂层。停止紫外光照后,纳米TiO_2/V_2O_5叠层涂层的延时阴极保护时间可达6h,而纳米TiO_2-V_2O_5复合涂层仅仅为20min。 (6)纳米TiO_2涂层及其复合涂层的光阴极保护机理 综合考虑纳米TiO_2涂层电极的电荷分布与电荷平衡,提出了纳米TiO_2涂层的光阴极保护机理。综合考虑电子池材料的储存与释放电子特性,提出了纳米TiO_2叠层涂层与复合涂层的光阴极保护作用机理。


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