電沉積Sol-gel技術(shù)及其在材料表面功能化中的應(yīng)用.pdf

1、硅烷sol-gel材料在金屬腐蝕防護(hù)、光學(xué)及光催化材料、電分析和生物傳感器等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)浸涂或旋涂法制備硅烷sol-gel薄膜過程中，受成膜動力學(xué)的限制，得到的薄膜較薄、可調(diào)控性差?；陉帢O局部堿化促進(jìn)硅烷sol-gel成膜的電沉積法的引入，有效地解決了這個問題。目前，電沉積硅烷sol-gel薄膜的研究主要側(cè)重于電分析和生物傳感器材料的制備。本論文中，研究了硅烷sol-gel薄膜電沉積過程中若干基礎(chǔ)問題，在此基礎(chǔ)上成功制備得到

2、了具有梯度結(jié)構(gòu)的sol-gel薄膜;提出采用一步電沉積技術(shù)制備金屬鋅摻雜的硅烷膜和硅烷摻雜的電泳漆涂層用于金屬防護(hù);提出以電沉積無機(jī)SiO2為模板制備電催化活性提高的多孔薄膜材料;采用兩步法或一步法實現(xiàn)了電沉積sol-gel薄膜的超疏水化，拓展了電沉積硅烷sol-gel薄膜的應(yīng)用。
　　本論文主要研究工作包括:
　　(1)研究了電沉積sol-gel薄膜的若干基礎(chǔ)問題。采用EQCM原位監(jiān)測電沉積硅烷sol-gel薄膜成膜過程，

3、提出了硅烷sol-gel成膜過程分為“誘導(dǎo)成膜期”——慢速生長期——快速生長期三個步驟，其中“誘導(dǎo)成膜期”的長短取決于施加的電極電位。理論計算發(fā)現(xiàn)，不同電位下，薄膜開始形成時電極表面pH均在9.8左右，而薄膜的孔隙率隨沉積電位負(fù)移而增大。氣體吸脫附實驗表明沉積電位越負(fù)，所得薄膜的比表面積越小，而熒光染料吸附試驗表明，沉積電位越負(fù)，所得sol-gel薄膜的吸附能力越強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，提出并實現(xiàn)了電沉積制備具有橫向梯度結(jié)構(gòu)的硅烷sol-gel

4、薄膜。
　　(2)硅烷電沉積在金屬防護(hù)中的應(yīng)用。主要包括兩個方面:一、利用陰極電位下，前驅(qū)體中鋅離子發(fā)生還原生成金屬鋅單質(zhì);同時，H2O、O2或NO3-離子還原生成的OH-可提高陰極局部pH，促進(jìn)硅烷成膜，從而實現(xiàn)一步電化學(xué)共沉積制備金屬鋅摻雜的硅烷膜。EIS、開路電位、濕熱試驗及鐵離子溶出實驗均表明，摻雜金屬鋅可提高硅烷膜的耐蝕性能，XPS確定了復(fù)合膜中鋅以金屬鋅單質(zhì)的形態(tài)存在。二、利用陽離子環(huán)氧樹脂和硅烷均可在陰極電位下成膜的

5、共同點(diǎn)，一步陰極電泳沉積構(gòu)建硅烷摻雜的電泳漆“超級涂層”用于鍍鋅鋼的腐蝕防護(hù)。EIS測試表明，摻雜少量硅烷(0.3wt.％BTSE或0.5wt.％MTMS)可顯著提高電泳漆涂層的耐蝕性能，降低涂層的吸水率，提高涂層的機(jī)械性能和疏水性，F(xiàn)TIR測試表明摻雜的硅烷組分可在金屬/涂層界面優(yōu)先富集，起到提高涂層與基體結(jié)合力的作用。
　　(3)電沉積SiO2模板技術(shù)在納米多孔電極材料制備中的應(yīng)用。首先，一步電沉積制備SiO2/Ni或SiO2

6、/Co3O4復(fù)合膜，然后，在KOH溶液中經(jīng)過循環(huán)伏安處理，得到多孔Ni或多孔Co3O4薄膜。SEM和TEM測試表明，以SiO2為模板制備的Ni或Co3O4薄膜多孔性增大，F(xiàn)TIR、EDX點(diǎn)能譜和面能譜證明堿液中循環(huán)伏安處理可有效去除復(fù)合膜中的SiO2組分，電化學(xué)測試（LSV和CV）表明采用該法制備的多孔Ni和多孔Co3O4薄膜電極用于超級電容器及堿性和中性環(huán)境下析氧陽極時電催化活性均顯著提高。
　　(4)電沉積超疏水sol-gel

7、薄膜及其性能研究。主要包括兩個方面:一、利用電沉積無機(jī)SiO2薄膜高度粗糙多孔的性質(zhì)，結(jié)合長鏈烷基硅氧烷良好疏水性的特點(diǎn)，采用兩步法制備得到了超疏水SiO2薄膜。SEM圖片和表面輪廓儀測試表明改變沉積時間和施加電位，可有效調(diào)控薄膜的厚度、粗糙度及疏水性。此外，還研究了基體和表面活性劑對超疏水SiO2薄膜的影響。二、一步電沉積制備超疏水有機(jī)硅烷sol-gel薄膜和無機(jī)-有機(jī)復(fù)合硅烷sol-gel薄膜。無機(jī)SiO2組分的引入可有效提高超疏水