储能型纳米TiO2复合膜的构建及其光生阴极保护机理

The application of TiO2 semicondutor films to the photocathodic protection of metals has inviting prospects due to their special photoelectrochemical properties, and has attracted the significant attention of corrosion researchers. This project will address key scientific issues regarding photocathodic protection of metals by TiO2 composite films. We will prepare nano-TiO2 composite films with energy capability by developing advanced preparation techniques through combination of experimental studies and theoretical methods, and study the effects of the compositions and structures of the composite films prepared by different techniques on their photocathodic protection properties. We will fabricate new composite films by further modifying the TiO2 films. The new composite films will have an efficient absorption in the visible light region, greatly enhance the photoelectric conversion efficiencies, and remain to provide a cathodic protection effect for the metals in the dark after light illumination. Furthermore, we will investigate the photoelectric conversion mechanisms of the TiO2 composite films by corrosion electrochemical methods, photoelectrochemical techniques, and quantum chemical calculations, strive for a breakthrough in the design of TiO2 composite film anodes and the study on photocathodic protection mechanisms. Therefore, the project has a positive application prospect for corrosion control, and is of important scientific significance.

基于TiO2半导体膜优良的光电化学特性而发展起来的光生阴极保护技术的应用和发展前景良好，受到了腐蚀研究者的重视。本项目针对TiO2薄膜光生阴极保护存在的关键问题，采用实验研究与理论方法相结合，发展先进的制备技术，拟构建具有储能特性的纳米TiO2半导体复合膜，研究不同制备方法获得的复合膜组成和结构对其光生阴极保护性能的影响。通过复合膜进一步改性，获得能有效吸收可见光、大幅度提高光电转换效率，并在光照转为暗态时仍对金属具有良好阴极保护作用的储能型纳米TiO2复合膜。本项目将运用腐蚀电化学和光电化学研究方法，结合量子化学计算，揭示储能型TiO2复合膜光阳极的光电转换机理，争取在TiO2复合膜的设计和光生阴极保护机理的研究取得新突破。因此，本项目对于金属腐蚀控制具有良好的应用前景和重要的学术意义。

光生阴极保护是新发展的电化学保护技术，有良好的潜在应用前景。本项目针对纯TiO2半导体膜只吸收紫外光，在停止光照后不能保持光生阴极保护效应等关键问题，设计和构建能高效吸收可见光又有储能特征的纳米TiO2复合膜，以提高其光生阴极保护性能，并研究复合膜的光电转换机理。.项目组按计划开展和完成了既定的研究工作，达到了预期目标。取得的主要进展和重要结果有：(1) 在Ti表面构筑了WO3/TiO2纳米管复合膜。该复合膜能吸收可见光并在光照后转为暗态时能对不锈钢保持19 h的光生阴极保护作用。 (2)　构建的能吸收可见光的储能型异质结构β-Bi2O3-TiO2纳米管光阳极，可使0.5 mol/L NaCl溶液中403不锈钢（403SS）电极电位从腐蚀电位降低450 mV，暗态下可延续15 h的光生阴极保护效应。(3) 以有储能作用的WO3为基体，TiO2修饰WO3，再用Bi2S3和ZnS修饰TiO2/WO3复合膜，获得了可作为光阳极的新颖储能型片状ZnS-Bi2S3/TiO2/WO3复合膜。其光电流密度达到纯WO3的5.5倍，在白光照射后转为暗态时仍可对403SS维持18 h的光生阴极保护作用。 (4)　在导电玻璃表面构建能有效吸收可见光的Bi2S3修饰的金红石TiO2纳米棒膜，大幅度提高了光电转换效率。可见光照下该薄膜可使处于0.5 mol/L NaCl溶液中的403SS的电极电位降低585 mV，显示了良好光生阴极保护效应。(5) 成功研制碳量子点修饰的Ag/TiO2纳米管，使其光吸收范围扩展到可见光区，光生阴极保护性能显著提高。(6) 成功构建的BiVO4纳米颗粒修饰的TiO2纳米管光阳极能有效吸收可见光，其光电流密度达到了纯TiO2膜的8.5倍，显著增强了对不锈钢的光生阴极保护作用。(7) 发展水热法和脉冲电沉积相结合技术，构筑了SnO2量子点和Ag纳米颗粒共修饰的TiO2纳米管膜，可作为储能型光阳极对不锈钢等有良好光生阴极保护效应。(8) 研制了储能型g-C3N4/MoO3/TiO2复合光阳极，白光照射下对金属可提供有效光生阴极保护作用。以上成果对发展金属腐蚀控制方法有重要意义。. 项目组在执行期内共发表SCI和EI收录的论文18篇（SCI论文15篇），申请中国发明专利4项（获得授权2项），培养博士研究生和硕士研究生分别有2人和5人。