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改进型纳米TiO2复合膜的光生阴极保护研究

2020-11-28阅读(732)

改进型纳米TiO2复合膜的光生阴极保护研究

论文摘要

纳米TiO2薄膜独特的光电化学性质,已受到广泛的关注,并成功应用于光催化处理污染物、超双亲自清洁、太阳能转换和储存等高科技领域。TiO2的光电特性在金属腐蚀防护方面表现出诱人的应用前景,正日益受到人们的重视。然而,TiO2是宽禁带半导体化合物,只吸收λ＜387nm的紫外光,太阳能利用率仅为3-4%,而且光生电子—空穴对快速复合,光转化效率还很低,通常在暗态下难以对金属基体起到有效的光生阴极保护作用。本论文侧重发展多种纳米TiO2复合膜及表面改性技术,探索纳米涂覆层表面均一化、消除各种物理缺陷的有效技术,以期在TiO2纳米覆盖膜材料的制备和改性方面有所突破。发展环境友好的水热法制备特殊纳米结构的TiO2薄膜,研究在金属防护中可能的应用,考察相关的影响因素和规律性,揭示TiO2表面结构和光电性质的相关性。结合掺杂和半导体复合技术有效地延长TiO2光生电子-空穴对的寿命,强化暗态下的光生阴极保护作用,并探索纳米TiO2复合膜光生阴极保护的作用机理。主要的研究进展及成果如下:1.发展了溶胶.凝胶法和浸渍一提拉技术,在316L SS表面分别构筑N、S和Cl改性的纳米TiO2复合膜。经不同的无机离子改性的TiO2纳米膜的表面形貌、微结构和结晶度存在明显差异。N改性的纳米TiO2膜结晶度良好,膜表面更均一和致密,平均的晶粒尺寸为25 nm。在相同的测试条件下,N改性的TiO2纳米膜具有较高的光电响应。2.N改性的TiO2纳米膜在0.5 mol/L NaCl溶液中具有较好的表面阻挡层作用。在白光的照射下,N-TiO2复合膜可为金属基体提供有效的阴极保护,而在暗态下,阻挡层发挥主要作用,可有效地保护金属免遭腐蚀.纳米N-TiO2薄膜对金属基体有双重的保护作用。3.采用溶胶-凝胶法制备非金属B掺杂的CeO2,B原子固溶于CeO2晶隙中,形成了B-Ce-O键。结合半导体复合技术,在不锈钢表面构筑（外）TiO2|（内）B-CeO2纳米复合膜。光电化学测试结果表明,在白光照射下,TiO2|B-CeO2复合膜可使金属基体处于阴极保护状态,而且当停止光照后,纳米TiO2 | B-CeO2复合膜可实现持续的光生阴极保护作用,即暗态下TiO2| B-CeO2 | 316L SS电极的电位可稳定在-0.10VSCE附近（低于316L SS的自然腐蚀电位）,并保持一段较长的时间（～7h）。另一方面,TiO2 | B-CeO2复合膜作为阻挡层也有较好的保护性能,复合膜光生阴极保护和阻挡层双重作用的有机结合可更好地实现对金属的有效防护。4.发展环境友好、成本低廉、操作简便的水热合成法,并结合简单的后处理技术,在Ti基底表面制备了锐钛矿型纳米TiO2薄膜。对水热反应的温度和时间工艺参数的调节可实现对纳米TiO2薄膜的表面结构和厚度的可控。不同表面结构和厚度的纳米TiO2薄膜具有不同的光电响应行为。在膜厚一致的条件下,在白光照射下,水热合成的网络状结构的TiO2纳米膜和电化学阳极氧化制备的TiO2纳米管阵列膜均可提供有效的光生阴极保护作用。5.发展低温水热法制备特定晶型纳米TiO2薄膜。与常规高温煅烧（450℃,2h）制备锐钛矿型TiO2的方法相比,环境友好的水热法可在低温（170℃）下制得结晶度良好的锐钛矿型TiO2。通过改变水热工艺参数,可控制TiO2的结晶程度和表面形貌。在模拟海水介质中,与常规450℃热处理2h所制备的TiO2纳米膜相比,170℃水热反应4h获得的结晶度高、结构致密的TiO2纳米膜对金属基体具有更好的防护性能。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 纳米材料和半导体
  • 1.1.1 纳米材料的特性
  • 1.1.2 纳米半导体材料
  • 1.2 纳米二氧化钛的制备
  • 1.2.1 二氧化钛粉体的制备方法
  • 1.2.2 二氧化钛薄膜的制备方法
  • 1.3 纳米二氧化钛在金属腐蚀防护中的应用
  • 1.3.1 金属腐蚀与防护简介
  • 1.3.2 纳米二氧化钛膜防腐蚀机理
  • 1.4 纳米半导体二氧化钛的掺杂与改性
  • 1.5 本工作的研究内容和意义
  • 参考文献
  • 第二章 实验技术与仪器
  • 2.1 试剂和材料
  • 2.2 纳米薄膜的制备与结构表征
  • 2.2.1 纳米薄膜的制备技术
  • 2.2.2 纳米膜组分和结构的表征
  • 2.3 纳米膜的光电性能表征
  • 2.3.1 纳米膜的电化学性质测试
  • 2.3.2 光电化学测量技术
  • 参考文献
  • 2复合膜的制备、表征及耐蚀性能'>第三章 非金属改性纳米TiO2复合膜的制备、表征及耐蚀性能
  • 3.1 引言
  • 2溶胶的制备与表征'>3.2 非金属掺杂改性TiO2溶胶的制备与表征
  • 2薄膜的制备与表征'>3.3 非金属掺杂改性TiO2薄膜的制备与表征
  • 2复合薄膜表面形貌分析'>3.3.1 非金属掺杂改性纳米TiO2复合薄膜表面形貌分析
  • 2复合薄膜结构表征'>3.3.2 非金属掺杂改性纳米TiO2复合薄膜结构表征
  • 2复合薄膜光电性能表征'>3.3.3 纳米TiO2复合薄膜光电性能表征
  • 2复合膜的防腐蚀性能研究'>3.4 非金属掺杂改性纳米TiO2复合膜的防腐蚀性能研究
  • 3.4.1 实验方法
  • 2复合薄膜的防腐蚀性能'>3.4.2 不同纳米TiO2复合薄膜的防腐蚀性能
  • 2纳米薄膜的XPS分析'>3.4.3 不同TiO2纳米薄膜的XPS分析
  • 3.5 本章小结
  • 参考文献
  • 2复合膜的光生阴极保护性能'>第四章 纳米TiO2复合膜的光生阴极保护性能
  • 4.1 引言
  • 4.1.1 光生阴极保护作用的研究进展
  • 4.1.2 光生阴极保护机理
  • 2纳米薄膜的光生阴极保护作用'>4.2 N-TiO2纳米薄膜的光生阴极保护作用
  • 2纳米薄膜电极的光生阴极保护性能'>4.2.1 N-TiO2纳米薄膜电极的光生阴极保护性能
  • 2纳米薄膜电极的交流阻抗谱分析'>4.2.2 N-TiO2纳米薄膜电极的交流阻抗谱分析
  • 4.2.3 本节小结
  • 2/B-CeO2复合膜的光生阴极保护作用'>4.3 纳米TiO2/B-CeO2复合膜的光生阴极保护作用
  • 2/B-CeO2复合膜的制备'>4.3.1 纳米TiO2/B-CeO2复合膜的制备
  • 2/B-CeO2复合膜的表征'>4.3.2 纳米TiO2/B-CeO2复合膜的表征
  • 2/B-CeO2复合膜的光生阴极保护性能'>4.3.3 纳米TiO2/B-CeO2复合膜的光生阴极保护性能
  • 2/B-CeO2复合膜的原位EPR表征'>4.3.4 光照条件下纳米TiO2/B-CeO2复合膜的原位EPR表征
  • 4.3.5 本节小结
  • 参考文献
  • 2纳米薄膜及其在金属防护中的应用'>第五章 水热法制备TiO2纳米薄膜及其在金属防护中的应用
  • 2纳米薄膜及其光生阴极保护作用的研究'>5.1 水热合成TiO2纳米薄膜及其光生阴极保护作用的研究
  • 2薄膜的水热合成'>5.1.1 纳米TiO2薄膜的水热合成
  • 2薄膜的物性表征'>5.1.2 纳米TiO2薄膜的物性表征
  • 2薄膜的光电流谱表征'>5.1.3 纳米TiO2薄膜的光电流谱表征
  • 2纳米薄膜的光生阴极保护作用'>5.1.4 水热法制备TiO2纳米薄膜的光生阴极保护作用
  • 5.1.5 本节小结
  • 2纳米膜及其防腐蚀性能'>5.2 水热晶化法制备锐钛矿型TiO2纳米膜及其防腐蚀性能
  • 5.2.1 引言
  • 2和表征'>5.2.2 水热晶化法制备锐钛矿型TiO2和表征
  • 2防腐蚀特性'>5.2.3 水热晶化法制备的纳米TiO2防腐蚀特性
  • 2薄膜的成分分析和深度剖析'>5.2.4 纳米TiO2薄膜的成分分析和深度剖析
  • 5.2.5 本节小结
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表与交流的论文
  • 致谢

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