發(fā)布時(shí)間：2020-04-26 18:14

【摘要】：金屬及其合金在海洋環(huán)境下面臨著非常嚴(yán)峻的腐蝕問題,這極大的限制了該類材料在港口碼頭、船舶艦艇、采油平臺(tái)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。陰極保護(hù)技術(shù)對(duì)海洋環(huán)境下金屬及其合金可提供有效防護(hù)。傳統(tǒng)的陰極保護(hù)包括犧牲陽極和外加電流兩種方法。然而,傳統(tǒng)陰極保護(hù)技術(shù)普遍存在消耗電能和陽極塊的問題,同時(shí)還會(huì)造成環(huán)境污染。光生陰極保護(hù)技術(shù)是一種新型、綠色環(huán)保技術(shù),僅利用光能即可達(dá)到對(duì)金屬陰極保護(hù)的目的。二氧化鈦因其化學(xué)性能穩(wěn)定、允許少量缺陷存在等優(yōu)勢成為光生陰極保護(hù)技術(shù)的首選材料。然而,二氧化鈦存在只吸收紫外光,對(duì)光利用率低,光生載流子容易復(fù)合,暗態(tài)條件下無法提供陰極保護(hù)等問題。為解決上述問題,通過復(fù)合窄禁帶寬度的納米半導(dǎo)體材料以及沉積貴金屬銀等辦法,解決了二氧化鈦存在的缺陷。本研究制備了二氧化鈦納米線以及Ag/CoFe_2O_4/TiO_2、Ag/CuFe_2O_4/TiO_2、Ag/NiS/TiO_2、Ag/Ag_3PO_4/TiO_2、CdSe/CdS/TiO_2五種三元體系納米復(fù)合材料。通過掃描電鏡、能譜、紫外-可見漫反射、X射線光電子能譜等手段表征了納米復(fù)合材料的形貌、組成、光響應(yīng)等性能,利用開路電位、光電流密度評(píng)估了納米復(fù)合材料對(duì)金屬的光生陰極保護(hù)性能。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)采用一步陽極氧化法快速制備二氧化鈦納米線,當(dāng)氫氧化鈉濃度為2 M,反應(yīng)時(shí)間為180 min時(shí),得到的二氧化鈦納米線粒徑均勻,線狀結(jié)構(gòu)清晰可見。(2)通過水熱和光還原法制備Ag/CoFe_2O_4/TiO_2納米復(fù)合材料。在水熱反應(yīng)9 h,硝酸銀濃度0.1 M條件下,得到的納米復(fù)合材料對(duì)304不銹鋼達(dá)到最佳陰極保護(hù)效果,相對(duì)于飽和甘汞電極,保護(hù)電位達(dá)到-970 mV,光電流密度達(dá)到450μA/cm~2。納米復(fù)合材料使光吸收范圍從紫外區(qū)增大到可見區(qū),解決了對(duì)光利用率不高的問題。(3)采用水熱和光還原法制備Ag/CuFe_2O_4/TiO_2納米復(fù)合材料。在水熱反應(yīng)6 h,硝酸銀濃度為0.1 M條件下,得到的納米復(fù)合材料對(duì)304不銹鋼達(dá)到最佳陰極保護(hù)效果,相對(duì)于飽和甘汞電極,保護(hù)電位達(dá)到-930 mV,光電流密度達(dá)到475μA/cm~2。納米復(fù)合材料界面處形成異質(zhì)結(jié)電場,增大了光生電子和空穴的分離效率,解決了空穴與電子容易復(fù)合的問題。(4)采用浸漬-沉積和光還原法制備Ag/NiS/TiO_2納米復(fù)合材料。在浸漬-沉積次數(shù)為6次,硝酸銀濃度為0.1 M條件下,得到的納米復(fù)合材料對(duì)304不銹鋼達(dá)到最佳陰極保護(hù)效果,相對(duì)于飽和甘汞電極,保護(hù)電位達(dá)到-925 mV,光電流密度達(dá)到410μA/cm~2。復(fù)合窄禁帶寬度的硫化鎳納米粒子,使光吸收范圍從紫外區(qū)增大到可見區(qū),解決了二氧化鈦對(duì)光利用率低的問題。4次循環(huán)使用之后,保護(hù)電位和光電流密度仍維持在初始使用水平,Ag/NiS/TiO_2納米復(fù)合材料的光學(xué)穩(wěn)定性良好。(5)通過浸漬-沉積和光還原法制備Ag/Ag_3PO_4/TiO_2納米復(fù)合材料。在磷酸銀納米粒子浸漬-沉積次數(shù)為6次,硝酸銀濃度為0.1 M條件下,得到的納米復(fù)合材料對(duì)304不銹鋼具有最佳陰極保護(hù)效果,相對(duì)于飽和甘汞電極,保護(hù)電位達(dá)到-900 mV,光電流密度達(dá)到130μA/cm~2。納米復(fù)合材料使光吸收范圍從紫外區(qū)增大到可見區(qū)。銀納米粒子的沉積解決了磷酸銀光學(xué)不穩(wěn)定的問題。(6)通過浸漬-沉積和循環(huán)伏安法制備了CdSe/CdS/TiO_2納米復(fù)合材料。在硫化鎘浸漬-沉積為9次,硒化鎘循環(huán)伏安次數(shù)為15次條件下,得到的納米復(fù)合材料對(duì)Q235碳鋼達(dá)到最佳陰極保護(hù)效果,相對(duì)于飽和甘汞電極,保護(hù)電位達(dá)到了-1100 mV,光電流密度達(dá)到750μA/cm~2。復(fù)合材料使光吸收范圍從紫外區(qū)增大到可見區(qū),暗態(tài)條件下可提供近200 mV的陰極保護(hù)。X射線光電子能譜顯示CdSe/CdS/TiO_2復(fù)合材料純度較高,無雜質(zhì)引入。本論文的研究證實(shí)了光生陰極保護(hù)技術(shù)可為金屬及其合金在海洋環(huán)境下的腐蝕提供一種有效的解決方法,因其綠色環(huán)保,是一種非常有前景的傳統(tǒng)陰極保護(hù)替代技術(shù)。所制備的五種三元體系納米復(fù)合材料為之后納米復(fù)合材料的制備及光生陰極保護(hù)性能研究具有指導(dǎo)意義。
【圖文】：

014年我國因?yàn)楦g引起的十大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失情況

圖 1.1 2014 年我國因?yàn)楦g引起的十大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失情況Fig. 1.1 The direct costs of corrosion of ten leading industries in China in 2014
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院海洋研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG174.41;P755.3

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本文編號(hào)：2641758