TiO2光生阴极保护纳米薄膜研究进展

光生阴极保护是一种新型的电化学保护方法,近年来成为腐蚀防护领域的研究热点。TiO_2薄膜具有光生电子-空穴对分离能力优异、稳定性良好、价格低廉等优点,在光生阴极保护技术中具有突出优势。首先介绍了TiO_2薄膜光生阴极保护原理,随后介绍了TiO_2薄膜材料的不同制备方法,包括溶胶-凝胶法、阳极氧化法、水热法、热分解法、电泳沉积法和磁控溅射法等。接着针对目前TiO_2薄膜材料存在的问题,阐述了不同掺杂/复合改性方法,主要有掺杂金属和非金属、表面金属沉积、纳米碳材料复合和半导体复合等。同时,总结了不同TiO_2涂层/金属体系(TiO_2/不锈钢体系、TiO_2/铜体系和TiO_2/碳钢体系等)的光生阴极保护研究进展。最后,对TiO_2光生阴极保护技术今后的发展进行了展望,指出拓展TiO_2薄膜的光吸收范围,提高TiO_2光生电子-空穴对的分离效率,获得高结合力、高耐磨性、抗老化的TiO_2涂层,将是未来光生阴极保护领域的重要发展方向。     

Si-TiO_2膜的制备及其光生阴极保护性能

采用溶胶凝胶法和浸渍提拉法在304不锈钢(304SS)表面制备了Si-TiO_2薄膜,通过扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)对膜层的形貌和晶型进行了观察,分析了烧结方式、烧结温度、薄膜厚度对Si-TiO_2薄膜性能的影响,并通过紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、荧光光谱、光电化学响应曲线研究了Si-TiO_2薄膜的光电响应特性和光生阴极保护性能。结果表明:在500℃条件下采用逐层烧结方式制备的三层Si-TiO_2薄膜具有最佳的光电性能。掺入Si元素增强了TiO_2薄膜对紫外光的吸收,抑制了光生电子-空穴的复合,从而产生更多的光生电子,增强了对基体材料304SS的保护。Si-TiO_2薄膜在紫外光照射下使304SS的电极电位负移至-650mV(SCE),起到了明显的光生阴极保护作用。     

Fe_2O_3/TiO_2纳米复合材料对304不锈钢的光生阴极保护性能

采用化学浴法在阳极氧化的TiO_2纳米管表面沉积Fe_2O_3,制备Fe_2O_3/TiO_2纳米复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS),紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-vis DRS)等手段对材料的形貌、晶相、成分、光响应性等进行表征。通过测试可见光下开/闭光时的开路电位(OCP)、光致激发电流(i-t)、电化学阻抗谱(EIS)等研究复合材料的光电性能。结果表明,Fe_2O_3纳米颗粒的修饰能增加TiO_2纳米管对可见光的利用效率,增强阴极保护性能。0.05 mol/L Fe(NO_3)_3制备的Fe_2O_3/TiO_2纳米复合材料在可见光下,耦联304不锈钢后光生电位达-740mV,比纯TiO_2纳米管低约300 mV,对304不锈钢起到更好的阴极保护效果。     

纳米CdTe/TiO2复合材料对304不锈钢的光生阴极保护行为

目的研究纳米CdTe/TiO_2复合材料对304不锈钢的光生阴极保护行为。方法采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管,通过循环伏安沉积法在纳米管上进行CdTe修饰。应用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等测试方法对比纯TiO_2与CdTe/TiO_2的表面形貌与晶相特征。结合开路电位(OCP)、光电流密度-时间曲线(J-t)、Tafel极化曲线等电化学方法,研究复合材料的光电转化性能及其对304不锈钢的阴极保护行为。结果在光照条件下,耦连CdTe/TiO_2复合材料的304不锈钢的开路电位从初始的-190mV负移至-730mV,光电流密度可达0.15mA/cm~2,闭光后,开路电位上升至-350mV,仍然具有保护作用,说明制备的纳米CdTe/TiO_2复合材料具有储存电子的能力。结论在可见光照射下,与纯二氧化钛相比,制备的CdTe/TiO_2复合材料对304不锈钢的阴极保护性能显著提高,且在闭光状态下仍能维持对不锈钢的保护,对不锈钢起到一定的延时保护效果。     

热处理对TiO_2涂层结构及耐蚀性能的影响

采用溶胶凝胶-浸渍提拉法在301不锈钢上制备了TiO_2涂层,分别将涂层在350、450、550℃条件下热处理。采用XRD、SEM对涂层进行晶型结构和形貌表征;采用Tafel曲线对涂层进行耐腐蚀性能测试。结果表明,随热处理温度升高,晶粒尺寸长大,晶型结构逐渐完整。350、450℃热处理后TiO_2全部为锐钛矿相。550℃热处理后TiO_2大部分以锐钛矿相存在,有少量金红石相生成。在光照条件下,涂层都有一定的阴极保护作用,经过450℃热处理的TiO_2涂层阴极保护作用最好。     

纳米TiO2-SnO2复合薄膜的光生阴极保护作用及机理研究

用溶胶-凝胶法和旋转涂膜技术在导电玻璃(ITO)表面构筑纳米TiO2膜和纳米TiO2-SnO2复合膜,应用AFM、XRD对膜的形貌及晶体结构进行表征.用光电化学和腐蚀电化学相结合技术,通过测试时间-电位曲线和交流阻抗谱研究光生阴极保护状态下316L不锈钢电极在0.5 mol/L NaCl溶液中的微观界面电荷分布及电子传递规律,探讨光生阴极保护的作用机理.结果表明以TiO2-SnO2复合膜作为光生阳极时,在紫外光照下,316L不锈钢电极可处在阴极保护状态,并且在切断光源后,光生电极电位仍可在较长的一段时间内维持在-0.2 V左右,仍具有一定的阴极保护作用.     

级配光阳极中大颗粒粒径对柔性染料敏化太阳电池的性能影响

以不同粒径的纳米晶氧化钛颗粒为原料,按照一定比例混合,制成TiO_2浆料,将其涂敷在ITO-PEN导电聚合物基板上制成光阳极薄膜。同时利用溅射法制备Pt对电极,将两者组装成三明治结构的电池器件。重点考察了级配浆料中大颗粒粒径对电池光电性能的影响,同时也研究了光阳极膜厚和电极溅射时间对电池的影响。研究发现,随着光阳极中TiO_2大颗粒粒径的增加,光阳极在可见光范围内的反射有明显提高。当膜厚为5.5μm、浆料中添加60 nm大颗粒、对电极Pt溅射时间30 s时,柔性DSC的光电性能最优。     

溶胶凝胶法制备Zn掺杂TiO_2薄膜的表征和光电化学行为（英文）

采用溶胶-凝胶法在纯钛基体上制备Zn掺杂纳米TiO_2薄膜(Zn-TiO_2),研究不同热处理温度下Zn掺杂对纳米TiO_2薄膜的物理性能、光阴极保护效果和光电化学性能的影响。研究表明,与未掺杂TiO_2薄膜相比,Zn的加入提高了Zn-TiO_2薄膜的光电化学响应,在300°C热处理后的薄膜使金属基体的电极电位下降最大,降低了897 mV。SEM-EDS分析表明,Zn在掺杂薄膜中的分布不均匀,XRD结果显示Zn掺杂的薄膜比未掺杂的薄膜晶粒更细小。红外光谱结果表明,TiO_2晶粒表面有Zn—O键生成。紫外光谱表明,Zn掺杂使Zn-TiO 2吸收带边红移,扩大了TiO 2的光响应范围。根据Mott-Shottky曲线可知,Zn-TiO_2薄膜比纯TiO_2薄膜的平带电位更负,载流子量更大。这说明在平带电位、载流子量和空间电荷层宽度的协同作用下,300°C热处理后的Zn-TiO_2薄膜表现了最佳的光电化学响应。     

SnO2/TiO2纳米管阵列对304不锈钢的阴极保护效果

目前,就SnO2/TiO2复合薄膜对不锈钢的光生阴极保护效果的研究有待深入。以两步阳极氧化法在钛箔表面制备TiO2纳米管阵列膜,并将其浸渍在不同浓度的SnO2溶液中,得到了SnO2/TiO2复合纳米管阵列材料。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)研究了其表面形貌、晶型,用电化学方法研究了SnO2/TiO2复合纳米管阵列对304不锈钢的光生阴极保护特性及耐腐蚀性能。结果表明:TiO2纳米管排列规整,孔径约80~150 nm;以0.5 mol/L SnO2溶胶制备的SnO2/TiO2半导体供给外电路的电子数最高;在紫外光照1 h时,TiO2和SnO2/TiO2均对304不锈钢有一定的光生阴极保护作用;闭光后SnO2/TiO2光生电极在较长时间内维持较低电位,低于其在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电位,延时阴极保护作用可以达到8.5 h。     

太阳能电池光阳极的制备和光电性能研究

采用旋涂法制备TiO_2基底并摻入不同含量g-C_3N_4制备了g-C_3N_4/TiO_2复合光阳极,研究了不同g-C_3N_4掺杂量的复合光阳极对电池光电性能的影响。结果表明,g-C_3N_4/TiO_2复合光阳极相对于TiO_2光阳极更有利于量子点附着,并提高电池的光电转换效率;随着覆盖尿素含量的增加,g-C_3N_4会更多的沉积在TiO_2薄膜表面,电池的开路电压、短路电流密度、填充因子和光电转换效率均呈现先增加而后减小的趋势,在尿素添加量为15 g时取得最大值(V_(oc)=0.604 V,J_(sc)=16.97 mA/cm~2,FF=0.419,IPCE=4.15%)。     

具有层级特征的异质型CuO@TiO_2纳米线膜的制备及其光电解水性能（英文）

通过水热反应、化学镀和枝化生长三个步骤,制备了具有层级特征的异质型CuO@TiO_2纳米线膜。研究表明,CuO@TiO_2纳米线膜表现出了众多适合光电解水应用的优异物理特性,如层级表面、拓展的光学吸收范围、快速的界面电荷转移能力等。在可见光照和1.0 V偏压(相对可逆氢电极)条件下,未修饰的TiO_2纳米线膜产生的光电流密度为0.12 m A/cm2。CuO@TiO_2纳米线膜在相同条件下产生的光电流密度为0.56 m A/cm2。而且,计时电流法研究表明CuO@TiO_2纳米线膜具有良好的稳定性。因此,所制备的CuO@TiO_2纳米线膜是潜在的太阳能光电解水阳极材料。     

电解液对TiC/TC4复合材料微弧氧化膜组织及耐磨性的影响

采用微弧氧化技术在TiC/TC4(Ti6Al4V)复合材料表面制备陶瓷膜。在NaAlO_2和NaH_2PO_2两种溶液体系中,研究添加Cr_2O_3对两种体系下微弧氧化膜组织、形貌及耐磨性的影响。结果表明:在NaH_2PO_2电解液中形成的膜层为金红石型和锐钛矿型TiO_2,而在NaAlO_2电解液中除了生成TiO_2外,还有Al_2TiO_5、γ-Al_2O_3生成。加入Cr_2O_3后,膜层出现大量Cr_2O_3相。所制备的微弧氧化膜,其耐磨性较基体略有提高。电解液中加入Cr_2O_3后,复合膜的摩擦系数均降低,耐磨性较基体明显提高。在NaAlO_2-Cr_2O_3中形成的复合膜只发生粘着磨损,而且耐磨性最好。而在NaH_2PO_2-Cr_2O_3电解液中,形成的复合膜出现粘着磨损和少量磨粒磨损。     

工业电解槽中制备Al-Ti中间合金的研究和实践

介绍直接在电解槽中生产铝钛合金的目的和意义,对电解法制备Al-Ti中间合金进行理论分析。在240KA工业电解槽中进行直接添加TiO_2制备Al-Ti中间合金的试验,TiO_2的添加对铝电解的电流效率等经济技术指标的影响进行分析,结果表明,随着TiO_2添加量的增加,氧化铝的溶解性能变差,过热度变大,AF3的添加量增多,容易生成槽底沉淀,电解槽的电流效率显著下降。     

铝合金微弧氧化膜纳米TiO_2掺杂机理研究

在含有纳米TiO_2的电解液中对铝合金进行微弧氧化处理,用以研究掺杂纳米TiO_2对铝合金微弧氧化成膜机理及性能的影响。利用扫描电镜(SEM)观察微弧氧化膜形貌,能谱仪(EDS)分析膜层Ti、Al、O等元素含量,X射线衍射仪(XRD)分析相组成,测定膜厚、硬度和氧化液中TiO_2表面电荷,建立了掺杂改性模型。结果表明,加入纳米TiO_2后,氧化初期电压随TiO_2添加量增加逐渐升高、5min后电压逐渐降低;氧化膜表面孔洞数量和尺寸减小,成膜效率、膜层致密度和表面疏松层硬度提高。纳米TiO_2在氧化膜表面均匀分布,截面不均匀分布。氧化膜主要由γ-Al_2O_3、Mullite和少量Si组成。     

Zn-Co-TiO2纳米复合镀层的光生阴极保护特性

用纳米复合电沉积技术在低碳钢表面制备了Zn-Co-TiO₂纳米复合镀层。用SEM、EDS和XRD等技术手段对样品进行了分析与表征。结果表明,镀层中TiO₂的含量约为12.63%,并均匀分散在镀层中,可以起到细化Zn-Co合金镀层晶粒的作用,并使Zn-Co合金镀层的耐蚀性能得到提高。用紫外光辅助照射电极电位监测方法研究Zn-Co-TiO₂纳米复合镀层光生阴极保护特性。结果表明,在紫外光照射下,镀层的电极电位负移,说明镀层具有光生阴极保护性能;关闭紫外光灯后,其电极电位正移,但仍低于镀层未光照前的电极电位。在400℃下氧化6 h后镀层表面生成了ZnO薄膜,其与TiO₂的协同作用可进一步提高镀层的光生阴极保护性能。     

医用PVC表面TiO2-ZnO膜的制备及光催化抗菌性能研究

目的提高医用PVC表面的抗菌性能。方法采用sol-gel法制备ZnO溶胶,以P25(商品TiO_2)悬浮液为掺杂组分,制备了不同TiO_2质量分数(20%、40%、60%、80%)的TiO_2-ZnO复合悬浮液,通过提拉法将ZnO、TiO_2-ZnO、TiO_2悬浮液均匀地涂覆在医用PVC材料表面。采用XRD、SEM等技术考察了复合膜的结构和性能。采用平板菌落计数法测定了不同膜材料对大肠杆菌的光催化杀菌性能和抗细菌粘附性能。结果当TiO_2质量分数为20%时,TiO_2-ZnO薄膜的光催化活性高于ZnO;当TiO_2质量分数为40%、60%、80%时,样品的光催化活性相差不大且都低于ZnO。对ZnO膜和TiO_2-ZnO复合膜的细菌抗粘附性和光催化杀菌性的测试结果表明,ZnO膜和不同TiO_2质量分数的TiO_2-ZnO复合膜都具有一定的抗粘附性和光催化灭菌性。在抗粘附方面,TiO_2质量分数为20%的TiO_2-ZnO复合膜的性能最好,对大肠杆菌的粘附率仅为2.6%,优于ZnO膜和TiO_2膜。在光催化灭菌性方面,在波长为365 nm的紫外光照下,样品对大肠杆菌杀灭能力高低顺序为TiO_2≈20%TiO_2-ZnO80%TiO_2-ZnOZnO。结论涂覆ZnO溶胶和TiO_2悬浮液混合溶胶可以明显提高医用PVC表面的抗细菌粘附性能和光催化灭菌活性,而且当TiO_2质量分数为20%时,TiO_2-ZnO具备最好的抗菌性能。     

ZrO_2／TiO_2复合光催化膜的微弧氧化法制备及表征

采用微弧氧化方法和原位生成的Zr（OH）_4胶体颗粒,在纯钛基体上制备ZrO_2／TiO_2复合光催化膜。采用SEM、EDX、XRD、UV-VisDRS等分析手段,对膜层进行分析表征。结果表明：复合膜显示出层状和多孔的结构,由锐钛矿、金红石和ZrO_2组成;相对于纯TiO_2膜,复合膜层的光吸收截止边缘产生红移;ZnO_2／TiO_2复合膜层和纯TiO_2膜层在紫外光照射下,对罗丹明B的光催化速率常数分别为0．0442和0．0186h~（-1）。     

TiO2纳米管阵列的制备与改性研究进展

TiO_2纳米管阵列具有比表面积大、吸附能力强和电子迁移率高等优点,在光催化降解有机污染物、染料敏化太阳能电池、光解水制氢、气敏元器件等领域具有广阔的应用前景,是当前人们的研究热点之一。对TiO_2纳米管阵列的常见制备方法及其制备原理进行了综述,并分析了各种制备方法的优缺点。同时,TiO_2由于是宽禁带半导体,其光吸收波长主要集中在紫外光区,光响应范围窄导致其对可见光的利用率较低。降低TiO_2的禁带宽度、抑制光生载流子-空穴的复合,成为提高TiO_2纳米管阵列的光催化效率及太阳能利用率的改性研究重点。着重阐述了国内外通过掺杂金属和非金属离子、沉积贵金属、复合半导体等方法来引入杂质或缺陷,使其光生载流子-空穴的复合减缓,或使其吸收光谱红移,从而达到提高光催化效果的相关研究进展,并指出了今后TiO_2纳米管阵列在制备、改性和应用等方面的研究重点和方向。     

金属光电化学阴极保护材料及其防腐功能化实现研究进展

与传统的腐蚀保护方法相比,光电化学阴极保护是一种节能、环保、经济的腐蚀防护技术.该技术的关键特征是,利用光电化学阴极保护材料在光照条件下产生光生电子,而光生电子以电势差作为驱动力转移到金属上,并富集在金属表面,导致金属的电位负移,从而实现对金属的强制保护.总结了近年来国内外光电化学阴极保护材料的制备方法与性能特点,针对目前TiO2薄膜材料存在的问题,阐述了通过形貌调控、元素掺杂、半导体复合、异质结构成、材料耦合等方式,提升光电化学阴极保护性能的策略和技术.概括了非TiO2类光电化学阴极保护纳米材料的性能及应用,主要有ZnO、SrTiO3、In2O3、g-C3N4、铋基金属氧化物等半导体材料.明确了近年来光电化学阴极保护材料防腐功能化实现的途径和方法,包括光阳极法和直接涂敷法,并比较了二者之间的优缺点.最后,提出了金属光电化学阴极保护材料及防腐功能化研究的发展趋势及存在的问题.     

高折射率锐钛矿TiO2薄膜的低温直流磁控溅射制备技术

目的研究低温条件下高折射率锐钛矿结构TiO_2薄膜的制备条件及影响因素。方法用直流磁控溅射技术(DCMS)和改进的直流磁控溅射技术(能量过滤磁控溅射技术,EFMS)制备TiO_2薄膜。采用正交试验方法研究DCMS技术工艺参数对TiO_2薄膜的影响,确定了低温制备高折射率锐钛矿TiO_2的最优制备条件,在该最优制备条件下,又采用FEMS技术制备了TiO_2薄膜,并对比两种技术制备的薄膜。TiO_2薄膜的微结构用X射线衍射和Raman光谱衍射进行表征,样品的表面形貌用扫描电镜SEM进行观察,薄膜的光学特性用椭偏光谱仪测试、拟合处理得到。结果在较低的温度100℃下,利用DCMS和EFMS技术制备的TiO_2薄膜具备良好的单一锐钛矿结构。EFMS技术制备TiO_2的孔隙率为4.7%,550 nm处的折射率为2.47,平均晶粒尺寸为12.5 nm。经计算,DCMS和EFMS技术制备的TiO_2薄膜的光学带隙分别为3.08 e V和3.37 e V。结论利用DCMS技术和EFMS技术可在低温制备出锐钛矿TiO_2薄膜,EFMS技术制备的薄膜孔隙率较低,折射率较高,晶粒较均匀细小,光学带隙较大。