陽極氧化鈦納米陣列的制備及其光生陰極保護性能的研究.pdf

1、近年來，在金屬的腐蝕與防護方面，TiO2可用作非犧牲性光生陰極保護材料，而TiO2納米管由于其特殊結(jié)構(gòu)引起的優(yōu)越的光電運輸性能而成為材料科學的一個前沿領域并引起極大的關注。TiO2納米管陣列具有較高的長徑比、較大的比表面積，從而提高了對光的利用率；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TiO2納米管陣列薄膜材料及其光生陰極保護作用的研究具有重要的理論研究意義和實際應用價值。 本論文采用陽極氧化法

2、直接在金屬Ti基體上制備TiO2薄膜，該方法設備簡單、易操作、成本較低，適于工業(yè)化應用。通過控制實驗條件及參數(shù)，如溶液組分、外加電壓、反應時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、組成及光響應特性等。采用IM6ex電化學工作站研究TiO2薄膜的光電化學行為，以及其對以304不銹鋼為代表的金屬材料的

3、光生陰極保護作用，研究單位面積TiO2薄膜對不同面積304不銹鋼的保護程度(P％)，探究TiO2薄膜的光生陰極保護的作用機理。另外，對TiO2納米管的生長理進行探討，并通過耗散結(jié)構(gòu)理論解釋TiO2納米管特殊形貌的形成機制。主要研究內(nèi)容及成果如下： 陽極氧化溶液為室溫下的NH4HF2+NH4H2PO4水溶液，通過三因素五水平正交試驗研究TiO2薄膜的形貌與NH4HF2和NH4H2PO4的含量以及外加電壓的關系，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；當電壓為10V～50V時，管長、管徑均隨電壓升高而增加，管長為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性能。TiO2薄膜在光照和暗態(tài)中電位負移幅度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，保護程度可達100％，說明TiO2納米陣列薄膜具有良好的光生陰極保護作用。 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進行耦合，保護程度達99.999％，光生電位負移值(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)。 通過研究不同生長階段TiO2薄膜的形貌結(jié)構(gòu)，對其形成機理進行研究，認為TiO2納米管陣列的排布隨陽極氧化時間的延長和外加電場強度的增加而趨于規(guī)則有序，形成六邊形緊密排列；其中外加電場起控制作用。 通過耗散結(jié)構(gòu)理論布魯塞爾器(B