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moo3/bivo4复合材料的制备及其在储能型光生阴极保护涂层中的应用

MoO3/BiVO4复合材料的制备及其在储能型光生阴极保护涂层中的应用

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作者：李思易北京化工大学

学位级别：硕士

金属腐蚀是一种无处不在的破坏性现象,一旦发生会造成材料失效、结构破损和各类事故发生,破坏生态环境,危害人类生命,给国家造成巨大的经济损失。金属防腐蚀常采用阴极保护法,在船舶制造、石油化工等行业有广泛应用。然而由于传统阴极... 详细信息

金属腐蚀是一种无处不在的破坏性现象,一旦发生会造成材料失效、结构破损和各类事故发生,破坏生态环境,危害人类生命,给国家造成巨大的经济损失。金属防腐蚀常采用阴极保护法,在船舶制造、石油化工等行业有广泛应用。然而由于传统阴极保护法能耗大、后期维护难并且对环境有污染,限制了其应用。近年来,光生阴极保护技术得到快速发展,因其利用太阳能对金属提供阴极保护,且不涉及其它资源的浪费,得到国内外学术界和工程领域的广泛关注。然而,现有光生阴极保护技术由于光催化效率低、无法实现暗态保护等问题,使其实用化进程受到严重影响,迫切需要开展相关研究予以解决。本论文针对发展储能型光生阴极保护技术的需要,基于储能策略,选择moo3作为储能材料,并通过引入氧空位、增大比表面积、暴露活性晶面等技术手段,制备了高比电容的球状纳米moo3;进一步将moo3与光催化材料bivo4复合构建了异质结,制备出球状纳米moo3/bivo4复合材料;在此基础上,与聚氨酯树脂复配制备了储能型光生阴极保护涂层。同时,基于DFT计算结果和上述试验结果的综合分析,探究了其性能增强机制以及暗态保护实现机制。本文主要研究工作如下:（1）通过水热法制备了三种不同形貌的纳米moo3材料,采用引入氧空位、增大比表面积、暴露活性晶面等技术途径来提高纳米moo3的比容量。HRTEM、BET、XPS、XRD测试结果表明,相比于线状和棒状,纳米球moo3具有较高的氧空位含量和较大的比表面积,其暴露晶面为（110）。CV和GCD测试表明,纳米球moo3出现储能行为是赝电容储能,具有较大的比容量,。结合试验结果并利用DFT计算,探究了氧空位含量、活性晶面对材料电子结构的影响,进一步阐明了材料储能性能的提升机理。（2）将储能材料球状纳米moo3与光催化材料bivo4复合构建异质结,制备了不同配比的球状纳米moo3/bivo4复合材料(B20M1、B10M1、B1M1),有效提高了材料的空穴-电子分离效率,并实现了在暗态环境下对金属的阴极保护。对材料的微观形貌、化学状态和晶体结构进行了表征。紫外测试结果显示moo3的引入提高了材料的光吸收范围,降低了材料的禁带宽度。荧光光谱和电流-时间测试结果显示,B10M1光阳极具有较高的光电流密度（164μA/cm2）,表明B10M1材料内部空穴-电子分离率较高,可为金属提供更大的阴极保护电流。电流-时间和开路电位-时间测试结果表明复合材料在暗态环境下可以继续为金属提供阴极保护,使金属电位处于自腐蚀电位以下。其中,B10M1光阳极使金属电位发生最大负移（330 m V）,且关灯后与B10M1光阳极偶联的金属电位正移最小。综上所述,在光照和暗态条件下,B10M1光阳极的综合性能较好,可为金属提供优异的光生阴极保护。（3）分别将5 wt.%、15 wt.%、25 wt.%的球状纳米moo3/bivo4复合材料与聚氨酯树脂复配,制备出储能型光生阴极保护涂层,分析研究了填料含量对涂层接触角和力学性能的影响。结果表明,添加15 wt.%含量复合材料的涂层具有较好的亲水性和力学性能。I-t和EIS测试结果表明,PB10M1涂层具有较小的涂层电阻、电荷转移电阻和较大的光电流密度（394μA/cm2）,表现出更优异的光生阴极保护性能。PB10M1涂层长时间OCP测试结果表明,该涂层在光照一小时后,可在暗态条件下为金属提供超过15 h的阴极保护。

关键词：光生阴极保护 moo3/bi vo4复合材料储能材料涂层暗态保护

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