不銹鋼表面微、納米薄膜的制備及光催化和抗菌性能研究.pdf

1、不銹鋼具有良好的耐蝕性、耐熱性,以及優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和延展性,并且表面光亮,已廣泛用于建筑材料、衛(wèi)浴潔具、廚房用品、家用電器和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。在室外使用環(huán)境中,不銹鋼制品的表面容易受到灰塵、油污的沾染;在室內(nèi)等環(huán)境中使用,還常常會(huì)粘附水漬,從而滋生細(xì)菌,威脅人們的健康,在公眾場(chǎng)所還將造成交叉?zhèn)魅?。不銹鋼制品在使用過(guò)程中需要進(jìn)行定期清洗,尤其是在幕墻、屋頂及野外等場(chǎng)合使用的不銹鋼制品,清洗難度大、人工耗費(fèi)高,因此制備光催化和抗菌功能的不銹鋼

2、具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本文采用電化學(xué)陽(yáng)極化在不銹鋼表面原位形成Fe2O3納米孔陣列,首次研究了這種在不銹鋼表面原位生成納米孔結(jié)構(gòu)的光催化性能,通過(guò)高能離子注入、化學(xué)水熱等手段,在不銹鋼表面形成TiO2、WO3半導(dǎo)體光催化劑摻雜的納米復(fù)合結(jié)構(gòu),使不銹鋼在光照條件下具有自清潔功能和良好的抑菌殺菌能力,同時(shí)保持不銹鋼表面的硬度、機(jī)械強(qiáng)度、光潔度和耐蝕性能等性質(zhì)基本不變。這種具有光催化性能的不銹鋼可大量節(jié)省不銹鋼制品的清洗、保潔費(fèi)

3、用,將產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。主要研究工作如下:
　　 1)通過(guò)陽(yáng)極氧化法在不銹鋼表面原位生成納米孔結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)研究了陽(yáng)極氧化條件對(duì)不銹鋼表面納米孔結(jié)構(gòu)的影響。分別在高氯酸乙二醇溶液、NH4F溶液、NH4Cl溶液、硫酸根溶液和磷酸二氫鈉溶液中,以拋光的不銹鋼片為陽(yáng)極,在合適電壓、溫度和時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行陽(yáng)極氧化。結(jié)果表明,在所選溶液體系下,均能在不銹鋼表面獲得納米孔陣列結(jié)構(gòu),納米孔主要由Fe2O3和Cr2O3組成,直徑在30～300

4、nm之間,深度范圍為10～130nm,納米孔的形貌和結(jié)構(gòu)可以根據(jù)陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)控。本文制備的不銹鋼表面納米孔陣列,將進(jìn)一步拓寬不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)域,為實(shí)現(xiàn)不銹鋼功能化的研究奠定基礎(chǔ)。
　　 2)通過(guò)對(duì)高氯酸乙二醇溶液的濃度、電壓和時(shí)間的控制,制備了具有規(guī)則均勻納米孔結(jié)構(gòu)表面的不銹鋼。當(dāng)溫度為5℃、陽(yáng)極氧化電壓40V、高氯酸溶液濃度為5vol％、陽(yáng)極氧化時(shí)間10分鐘時(shí),所制備的納米孔直徑約100nm,深度為26nm,納米孔陣列

5、主要由為Fe2O3和Cr2O3組成,此時(shí)不銹鋼表面薄膜表現(xiàn)出最大的光催化活性。在高氯酸乙二醇溶液中陽(yáng)極氧化制備的不銹鋼納米孔結(jié)構(gòu)不會(huì)改變不銹鋼光潔美觀的表面,同時(shí)保持了不銹鋼良好的耐蝕性能。
　　 3)在不銹鋼表面通過(guò)陽(yáng)極氧化制備納米孔陣列,通過(guò)離子注入對(duì)不銹鋼納米孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行摻雜,經(jīng)退火在不銹鋼表面形成Fe2O3/TiO2復(fù)合薄膜,以提升光催化性能。結(jié)果表明,加速電壓為50kV下注入3×1015atoms/cm2劑量的鈦離子,然

6、后450℃退火2小時(shí),所得Fe2O3/TiO2復(fù)合薄膜比陽(yáng)極氧化形成的納米孔陣列的光催化性能提高4.6倍,并且耐蝕性能比不銹鋼本體有所提高。
　　 4)在不銹鋼表面通過(guò)陽(yáng)極氧化制備納米孔陣列,利用化學(xué)水熱法負(fù)載TiO2/WO3,以提升光催化性能。結(jié)果表明,以0.010 mol/L(NH4)2TiF6和0.0066 mol/L Na2WO4混合溶液為前驅(qū)體,120℃水熱3小時(shí)所制備的復(fù)合薄膜光催化性能,比陽(yáng)極氧化形成的納米孔陣列的

7、光催化性能提高15.7倍。這種復(fù)合薄膜的光催化性能,比同樣條件下單獨(dú)負(fù)載TiO2和WO3分別提高了5倍和8倍,其良好的光催化性能應(yīng)歸功于TiO2/WO3異質(zhì)結(jié)的形成,延遲了光生電子與空穴的復(fù)合,從而使光催化活性顯著提高。
　　 5)在不銹鋼表面通過(guò)陽(yáng)極氧化制各納米孔陣列,利用化學(xué)水熱法負(fù)載SnO2,以提升光催化性能。結(jié)果表明,以0.030 mol/L,SnCl4溶液為前驅(qū)體,220℃水熱3小時(shí)所制備復(fù)合薄膜光催化性能,比陽(yáng)極氧化

8、形成的納米孔陣列的光催化性能提高11.8倍。SnO2是n型半導(dǎo)體,在陽(yáng)極氧化的不銹鋼表面形成Fe2O3/SnO2異質(zhì)結(jié),從而使光催化性能明顯提高。并且負(fù)載SnO2的薄膜具有良好導(dǎo)電性能,表現(xiàn)出顯著的光電流響應(yīng),在相同條件下,其光電流比陽(yáng)極氧化的納米孔陣列提高了14.8倍。
　　 6)為彌補(bǔ)單一金屬抗菌離子在抗菌廣譜性方面的不足,開(kāi)展了雙元抗菌元素的不銹鋼研制,以降低貴金屬銀的用量,改善不銹鋼的耐蝕性能和使用安全性。首次采用利用雙