铟掺杂多相结薄膜对金属的光电化学抗腐蚀机制研究

This research project will focus on the investigation of a novel anticorrosion method- - the photoelectrochemical method for metals protection. In principle, the anticorrosion of metals using photovoltaic film is that utilizing solar energy to excite the semiconductor materials to generate photo-induced electrons, and then these photo-induced electrons are transmitted to the protected metal and keep the metals in an electron-rich state to avoid being corroded. Compared with the sacrificial anode protection, this technique does not consume coating material itself. Compared with the cathodic protection of impressed current, it possesses predominant advantages for environmental protection and energy utilization because the energy come from clean solar energy. This proposal will investigate the photoelectrochemical anticorrosion property of indium doped TiO2 and ZnO heterojunction semiconductor materials by adjusting the energy band structure, including the conduction band and valence band locations. The effects of doping condition, growth feature and energy band structure on photoelectrochemical property and further the corrosion resistance property will be studied. By adjusting doping condition to adjust and control the photoelectrochemical anticorrosion property, and then the mechanism of the adjustment and control of anticorrosion property for metal will be explored. Simultaneously, the synergistic effect of match between modified photoelectric materials with indium doping and electron storage materials will be researched. Then metal structures also can be continuing anticorrosion protected during the night and cloudy day.

本项目将对一种新型金属抗腐蚀保护方法-光电化学法进行研究，研究铟掺杂多相结可见光响应半导体光电材料在海洋环境中对金属的抗腐蚀保护性能。光电薄膜对金属的抗腐蚀仅利用清洁太阳能激发半导体光电材料产生光生电子，传输到被保护金属上，使之处于富电子状态而避免被氧化腐蚀。与牺牲阳极保护法比，不消耗薄膜材料本身；与外加电流保护法比，对环境保护及能源利用有显著优势。本项目从能级结构包括导带和价带位置的调整出发，应用合理的掺杂方法，针对可见光响应的导带位置较负（即抗腐蚀电位较负）的铟掺杂多相结可见光材料进行研究，探索掺杂改性条件、生长形貌、能带结构对其光电化学抗金属腐蚀性能的影响。通过调整掺杂条件来调控光电化学抗金属腐蚀性能，探索调控机制。同时考察铟掺杂改性的光电材料与新型储电子材料匹配后的协同作用性能，使其在夜间或阴天可持续对金属构筑物进行抗腐蚀保护。

本项目基于半导体光电化学阴极保护的必要条件构建了兼具导带较负且禁带较窄的体系，以铟多相结薄膜为主要研究目标，研究了利用半导体涂层的光伏技术对海洋金属进行阴极保护的关键制约因素，探明了本质结构对光电阴保性能影响的机制。为海洋金属保护提供了新思路，加速了光伏半导体涂层应用的进程。主要研究内容如下：..（1）铟化合物异质结体系的构筑对海洋金属的可见光光电化学阴极保护性能的调控.构筑了新型C3N4@In2O3类壳核异质结构及In2O3/TiO2异质结，3 wt% C3N4@In2O3、41 wt% In2O3/TiO2异质结复合物对304不锈钢(SS)表现出提升的可见光光电阴极保护效能。发现界面异质结电场的建立及费米能级的负移对光电转换效率及光电阴极保护性能的提高起着关键作用，阐明了作用机制。构建了AgIn5S8量子点敏化的TiO2纳米管阵列涂层，其在可见光下在NaCl中表现出显著提升的对304SS的阴极保护性能。AgIn5S8纳米粒子尺寸的调控及纳米管阵列的优化对光生电子的转移起着重要作用。..（2）表面活性组分及结构微变对半导体光致阴极保护效能的影响.In2O3中吸附氧(OA)基团作为一种表面活性位点有助于光生电子的捕获传输，而氧空位(Vo)浓度的提高将进一步拉负费米能级，同时窄化In2O3带隙，提升可见光光电阴极保护性能。掺杂Ni改性后的TiO2，在Ni掺杂量0.5%时，Ni以取代掺杂方式掺进TiO2的Ti位并同时带来氧空位，协同促进可见光激发下光生电子的转移，提高其可见光光电阴极保护304SS性能。..（3）对于不同的金属材料锌、Q235碳钢(CS)、304SS，光照辐射ZnO对金属腐蚀的影响不同。发现在NaCl溶液中，ZnO的光伏效应仅可对304SS起到阴极保护。而在空穴捕获剂S2-存在时，ZnO的光伏效应对Zn、Q235CS、304SS都可起到阴极保护，作用强度有所差异。探明了不同影响的机制。..（4）针对光电涂层暗处延时保护时间不够长的问题，对WO3/rGO杂化结构的储能性能以及与P25匹配应用的光电延时保护性能进行了研究。发现rGO杂化后使WO3的储电子性能提升，揭示了形貌的变化对其储能效能影响的规律。.上述研究结果为海洋金属防腐光电功能涂层的设计及应用奠定了科学基础。