陽(yáng)極氧化鈦納米陣列的制備及其光生陰極保護(hù)性能的研究.pdf

1、近年來(lái)，在金屬的腐蝕與防護(hù)方面，TiO2可用作非犧牲性光生陰極保護(hù)材料，而TiO2納米管由于其特殊結(jié)構(gòu)引起的優(yōu)越的光電運(yùn)輸性能而成為材料科學(xué)的一個(gè)前沿領(lǐng)域并引起極大的關(guān)注。TiO2納米管陣列具有較高的長(zhǎng)徑比、較大的比表面積，從而提高了對(duì)光的利用率；其規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，縮短了光生載流子的傳輸路徑，從而提高光電性能。因此，對(duì)TiO2納米管陣列薄膜材料及其光生陰極保護(hù)作用的研究具有重要的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 本論文采用陽(yáng)極氧化法

2、直接在金屬Ti基體上制備TiO2薄膜，該方法設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作、成本較低，適于工業(yè)化應(yīng)用。通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)，如溶液組分、外加電壓、反應(yīng)時(shí)間等制備出形貌可控、光電性能優(yōu)異的TiO2納米陣列薄膜。分別采用三種溶劑：水溶液、乙二醇及乙二醇/DMSO混合溶液。利用SEM、XRD、UV-vis等方法系統(tǒng)研究TiO2薄膜的形貌、組成及光響應(yīng)特性等。采用IM6ex電化學(xué)工作站研究TiO2薄膜的光電化學(xué)行為，以及其對(duì)以304不銹鋼為代表的金屬材料的

3、光生陰極保護(hù)作用，研究單位面積TiO2薄膜對(duì)不同面積304不銹鋼的保護(hù)程度(P％)，探究TiO2薄膜的光生陰極保護(hù)的作用機(jī)理。另外，對(duì)TiO2納米管的生長(zhǎng)理進(jìn)行探討，并通過(guò)耗散結(jié)構(gòu)理論解釋TiO2納米管特殊形貌的形成機(jī)制。主要研究?jī)?nèi)容及成果如下： 陽(yáng)極氧化溶液為室溫下的NH4HF2+NH4H2PO4水溶液，通過(guò)三因素五水平正交試驗(yàn)研究TiO2薄膜的形貌與NH4HF2和NH4H2PO4的含量以及外加電壓的關(guān)系，得出優(yōu)化條件參數(shù)：N

4、H4HF2濃度為1.0wt％、NH4H2PO4濃度為1.0mol.L-1、外加電壓20V；500℃熱處理后，納米管從非晶轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦礦晶型。在模擬太陽(yáng)光照射下，TiO2納米陣列薄膜在模擬海水(3.5wt％NaCl水溶液)中的電極電位最大負(fù)移值△V為0.29V。 在含有NH4HF2(0.1wt％)的乙二醇非水溶液中，外加電壓最低為6V有TiO2納米管生成；當(dāng)電壓為10V～50V時(shí)，管長(zhǎng)、管徑均隨電壓升高而增加，管長(zhǎng)為0.8μm～6μ

5、n，管徑為30nm～100nm。30V電壓下制備的薄膜具有良好的形貌及光電化學(xué)性能。TiO2薄膜在光照和暗態(tài)中電位負(fù)移幅度0.45V，優(yōu)于水溶液中制備的薄膜；TiO2薄膜與304不銹鋼面積比為1:36時(shí)，保護(hù)程度可達(dá)100％，說(shuō)明TiO2納米陣列薄膜具有良好的光生陰極保護(hù)作用。 在含有NH4HF2(0.1wt％)的乙二醇/DMSO非水電解液中，二者體積比為4:6，外加電壓40V條件下制備的TiO2薄膜具有良好的納米管陣列形貌、較

6、大的比表面積及優(yōu)越的光電性能，與304不銹鋼以面積比1:72進(jìn)行耦合，保護(hù)程度達(dá)99.999％，光生電位負(fù)移值(0.2991V)大于同條件下乙二醇溶液制備的TiO2薄膜產(chǎn)生的作用(0.245V)。 通過(guò)研究不同生長(zhǎng)階段TiO2薄膜的形貌結(jié)構(gòu)，對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行研究，認(rèn)為T(mén)iO2納米管陣列的排布隨陽(yáng)極氧化時(shí)間的延長(zhǎng)和外加電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而趨于規(guī)則有序，形成六邊形緊密排列；其中外加電場(chǎng)起控制作用。 通過(guò)耗散結(jié)構(gòu)理論布魯塞爾器(B