镍基层状双氢氧化物对304不锈钢的光生阴极防腐性能研究

作     者：陈荣荣 

作者单位：桂林理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王林江

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：光生阴极防腐 镍基层状双氢氧化物 异质结构 304不锈钢 

摘      要：304不锈钢(304SS)的腐蚀是船舶和海洋工程建设中一个重要的问题,光生阴极防腐是目前解决大型设备304SS腐蚀的有效方法之一。304SS光生阴极防腐系统由作为光阳极的半导体材料和作为阴极的304SS组成,光阳极材料的导带要比304SS的自腐蚀电位更负,可为连接的304SS提供电子,起到保护304SS的作用,因此制备具有负导带和合适带隙的光阳极材料是获得高效304SS光生阴极防腐蚀至关重要的一步。镍基层状双氢氧化物(NiM-LDHs)由于其可调的组成和形貌、较窄的带隙及较负的导带,作为光阳极材料在304SS光生阴极防腐领域具有广泛的应用前景。本文以TiO纳米管和钛箔为载体,将NiM-LDHs分别生长在TiO纳米管和钛箔上,获得了TiO/NiM-LDHs以及Ti/NiM-LDHs光阳极材料,研究了其对304SS的光生阴极防腐蚀性能。主要研究内容和成果如下:(1)在用电化学阳极氧化法制备TiO纳米管的基础上,用水热法制备了含有主族金属元素Al、Ga和In的TiO/NiAl-LDH、TiO/NiGa-LDH和TiO/NiIn-LDH异质结构材料以及含有过渡金属元素Cr、Mn、Fe和Co的TiO/NiCr-LDH、TiO/NiMn-LDH、TiO/NiFe-LDH和TiO/NiCo-LDH异质结构材料。该异质结构材料高度匹配的界面结构和能带结构增强了光利用率以及光生载流子的分离和转移。相比TiO/NiAl-LDH、TiO/NiGa-LDH、TiO/NiIn-LDH、TiO/NiCr-LDH、TiO/NiFe-LDH和TiO/NiCo-LDH异质结构材料,TiO/NiMn-LDH异质结构材料的开路电位最低,在可见光下开路电位为-713 m V,具有优异的光生阴极防腐蚀性能,这是由于其结构更加均匀有序且存在更多的氧空位,从而更有利于光生载流子的分离与转移。TiO/NiMn-LDH材料在间歇光照12 h后开路电位仍可稳定在-645 m V,说明其具有较好的稳定性。(2)分别用水热法和电沉积法制备了Ti/NiFe-LDH和Ti/NiFe Co-LDH材料。相比水热法制备的材料,电沉积法制备的Ti/NiFe-LDH材料具有更好的304SS光生阴极防腐蚀性能。Co元素掺杂导致Ni和Fe向Co发生明显的电子转移和能带结构的改变,从而使其的导带更负,在光照条件下可以积累更多的电子转移到304SS表面,导致304SS电位下降,有效提高了304SS的光生阴极防腐蚀性能。当Ni、Fe和Co的投料比为1:1:3时,Ti/NiFe Co-LDH材料的开路电位最低,达到-800 m V,表现出优异的阴极防腐蚀性能,其开路电位在82 h后仍保持在-720 m V,说明其具有良好的稳定性和耐久性。且相比TiO/NiM-LDHs,其304SS的防腐蚀效果最佳。