题名 | 窄带隙半导体敏化二氧化钛对304不锈钢的光生阴极保护研究 |
作者 | 李鑫冉 |
答辩日期 | 2019-05-07 |
文献子类 | 硕士 |
授予单位 | 中国科学院大学 |
授予地点 | 中国科学院海洋研究所 |
导师 | 王秀通 研究员 |
关键词 | Sb2s3/sb2o3/tio2 Co3o4/tio2 Bioi/tio2 光生阴极保护 304不锈钢 |
学位名称 | 理学硕士 |
其他题名 | Study on the Photocathodic Protection of Narrow Band-Gap Semiconductor Sensitized Titanium Dioxide for 304 Stainless Steel |
学位专业 | 海洋腐蚀与防护 |
英文摘要 | 304不锈钢(304SS)具有良好耐蚀性,但当其应用于海洋环境中时,氯离子会破坏其表面钝化膜,促进点蚀的产生。光生阴极保护技术是一种新型绿色的阴极保护防腐方法,常以TiO2作为光电转换中心。但TiO2带隙过宽且光生载流子易复合,导致其光电活性较差。针对TiO2的缺点,本文通过阳极氧化法制备了TiO2纳米管,设计了Sb2S3/Sb2O3/TiO2、Co3O4/TiO2和BiOI/TiO2三种窄带隙半导体敏化的TiO2基p-n异质结材料,之后对样品进行了材料表征和光电性能测试,并对其保护机理进行了分析讨论。 通过一锅水热法将Sb2S3、Sb2O3同时沉积到TiO2管上,并考察了反应源浓度对复合膜性能的影响。结果发现纳米网状的Sb2S3促进了TiO2对可见光的吸收,微米棒状的Sb2O3使载流子沿轴向运动,为载流子传输提供了直接通路;导带较负的Sb2S3将TiO2费米能级拉向更负的电位,利于电子向304SS的传输;p型Sb2S3与n型Sb2O3/TiO2内建电场的形成促进了载流子的定向传输。当锑源浓度为48 mmol/L时,三元复合物对304SS保护效果最优,可使其电位降至-0.76 V。 通过低温水热法,制备了Co3O4/TiO2复合物,并研究了Co3O4负载量对光生阴极保护效果的影响。结果发现Co3O4的引入使TiO2吸收波长向可见光移动,带隙减小为2.2 eV。当硝酸钴的浓度为1 mmol/L时,Co3O4/TiO2对304SS的保护性能最好,偶合光致电位达到-0.69 V,光电流增加为原来的3倍,电荷转移电阻减小一个数量级。Co3O4和TiO2接触后,由接触前的嵌套式能带结构转变为交错型p-n异质结。在内建电场的驱动下,载流子得到及时分离与定向传输,从而对304SS展现出良好的阴极保护效果。 通过连续去离子层吸附反应,将BiOI原位生长于TiO2管口,并研究了循环次数对光阳极阴极保护性能的影响。结果发现BiOI的引入使TiO2吸收边向长波移动,吸收强度显著增大。当循环次数为5次时复合膜保护性能最优,相较TiO2,复合膜与304SS的偶合光电流变为9倍多,电荷转移电阻减小两个数量级,极大增加了光生载流子分离率。复合膜光阳极可使304SS电位降至-0.66 V,在暗态下仍可对不锈钢实施长达10 h以上的阴极保护。其优异的性能来自于BiOI薄层状结构和交错型p-n内建电场的协同作用。 |
语种 | 中文 |
目次 | 第一章 绪论..................................................................................... 1 1.1 研究背景.......................................................................................................... 1 1.1.1 金属在海洋环境中的腐蚀....................................................................... 1 1.1.2 常用金属腐蚀防护方法........................................................................... 2 1.2 光生阴极保护方法的原理及优点.................................................................. 3 1.3 TiO2的特性及制备方法................................................................................... 5 1.3.1 TiO2的特性................................................................................................ 5 1.3.2 TiO2的制备方法........................................................................................ 6 1.4 改性TiO2在光生阴极保护应用...................................................................... 7 1.4.1 金属/非金属离子掺杂.............................................................................. 7 1.4.2 贵金属沉积............................................................................................... 8 1.4.3 碳材料复合............................................................................................... 9 1.4.4 聚合物复合............................................................................................... 9 1.4.5 半导体复合............................................................................................. 10 1.5 本论文研究意义与内容................................................................................. 11 1.5.1 选题意义.................................................................................................. 11 1.5.2 研究内容................................................................................................. 12 第二章 实验材料及方法................................................................ 15 2.1 实验药品........................................................................................................ 15 2.2 实验仪器........................................................................................................ 15 2.3 实验材料预处理............................................................................................ 16 2.4 材料表征方法................................................................................................ 17 2.5 电化学表征方法及装置................................................................................ 18 第三章 Sb2S3/Sb2O3/TiO2材料及光生阴极保护研究..................... 21 3.1 引言................................................................................................................ 21 3.2 实验................................................................................................................ 22 3.2.1 材料制备................................................................................................. 22 3.2.2 材料表征................................................................................................. 23 3.2.3 材料光电化学测试................................................................................. 23 3.3 结果与讨论.................................................................................................... 24 3.3.1 Sb2S3/Sb2O3/TiO2的形貌分析................................................................. 24 3.3.2 Sb2S3/Sb2O3/TiO2的组成分析................................................................. 25 3.3.3 Sb2S3/Sb2O3/TiO2的光吸收性能分析..................................................... 29 3.3.4 Sb2S3/Sb2O3/TiO2的光电化学性能测试................................................. 29 3.3.5 Sb2S3/Sb2O3/TiO2对304SS实际保护效果............................................ 32 3.3.6 Sb2S3/Sb2O3/TiO2光生阴极保护机理讨论............................................. 33 3.4 本章小结........................................................................................................ 34 第四章 Co3O4/TiO2材料及光生阴极保护研究.............................. 35 4.1 引言................................................................................................................ 35 4.2 实验................................................................................................................ 35 4.2.1 材料制备................................................................................................. 35 4.2.2 材料表征................................................................................................. 36 4.2.3 材料光电化学测试................................................................................. 37 4.3 结果与讨论.................................................................................................... 37 4.3.1 Co3O4/TiO2的形貌分析.......................................................................... 37 4.3.2 Co3O4/TiO2的组成分析.......................................................................... 38 4.3.3 Co3O4/TiO2的光吸收性能分析.............................................................. 41 4.3.4 Co3O4/TiO2对304SS光生阴极保护测试............................................. 42 4.3.5 Co3O4/TiO2的光电化学测试.................................................................. 44 4.3.6 Co3O4/TiO2光生阴极保护机理讨论...................................................... 47 4.4 本章小结........................................................................................................ 49 第五章 BiOI/TiO2材料及光生阴极保护研究................................ 51 5.1 引言................................................................................................................ 51 5.2 实验................................................................................................................ 52 5.2.1 材料制备................................................................................................. 52 5.2.2 材料表征................................................................................................. 52 5.2.3 材料光电化学测试................................................................................. 53 5.3 结果与讨论.................................................................................................... 53 5.3.1 BiOI/TiO2的形貌分析............................................................................ 53 5.3.2 BiOI/TiO2的组成分析............................................................................ 54 5.3.3 BiOI/TiO2的光吸收性能分析................................................................ 56 5.3.4 BiOI/TiO2对304SS光生阴极保护性能测试........................................ 57 5.3.5 BiOI/TiO2的光电性能测试.................................................................... 60 5.3.6 BiOI/TiO2光生阴极保护机理讨论........................................................ 63 5.4 本章小结........................................................................................................ 65 第六章 结论与展望........................................................................ 67 6.1 结论................................................................................................................ 67 6.2 创新点............................................................................................................ 67 6.3 展望................................................................................................................ 68 参考文献.......................................................................................... 69 致 谢.............................................................................................. 83 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果.................. 85 |
内容类型 | 学位论文 |
源URL | [http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/156861] ![]() |
专题 | 海洋研究所_海洋腐蚀与防护研究发展中心 |
推荐引用方式 GB/T 7714 | 李鑫冉. 窄带隙半导体敏化二氧化钛对304不锈钢的光生阴极保护研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学. 2019. |
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