光电材料在金属防腐蚀中应用

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1、光电材料在金属防腐蚀中应用　　摘要：指出了光电材料因其无毒环保、寿命长等优点在防腐蚀中的应用越来越受到关注，研究表明：与传统的牺牲阳极的防腐蚀方法不同，光电材料提供的是电子-空穴，电子-空穴分离后将电子快速传到处于阴极地位的碳钢，使碳钢电位降低，空穴则氧化空气中的水蒸气或有机气体，电位下降消耗的不是光电材料本身而是光电材料周围的水、有机气体等。提出了应选择合适的光电材料来保护金属。关键词：大气腐蚀；光催化剂；禁带宽度；光电保护中图分类号：TQ637文献标识码：A文章编号：1674-9944（2012）12-0248-021引言金属暴露在大气中，表面会逐渐形成一层水膜。当水膜

2、中的溶解氧积累到一定浓度时，水膜与金属形成腐蚀原电池，造成大气腐蚀。这种腐蚀会给国家经济造成重大损失。传统方法的金属防腐蚀以牺牲阳极为代价，用活泼金属比如锌块来做负极发生氧化反应，来减小或减缓金属的腐蚀。防腐涂料也多是采用锌和锌合金为原料，这是利用牺牲阳极的办法来保护金属，而且研究者普遍采用干湿交替的循环腐蚀方法模拟涂层所处的大气环境，用电化学及各种表面分析技术研究涂层的抗腐蚀性能和机理。72研究进展在1906年美国材料试验学会（ASTM）就展开了材料的大气腐蚀试验[1]，可见人们早就对大气防腐有了相当的重视。由于日本的岛国气候使其在大气腐蚀这一领域有比较先进的研究[2]。

3、2003年底在日本大阪召开的第十三届亚太腐蚀控制会议（APCCC）[3]做了许多关于大气腐蚀方面的报告。其中提到了运用电化学阻抗遥感测试技术检测耐候钢的大气腐蚀。光电材料能起到降低碳钢腐蚀电位的作用，而光电材料本身的导带位置必须高于碳钢的自腐蚀电位，否则会加速碳钢腐蚀。已经应用或将要用到防腐上的光电材料有TiO2[6]、WO3[7，9]、SnO2[4]、SrTiO3[5]、CdS[15]、Cu2O[17]、In2O3、Zn3In2S4[10]等等。MouchengLi[6]等在稀碱溶液中用阳极氧化钛箔的方法制备出TiO2薄膜，然后与碳钢组成原电池发现紫外照射下碳钢的电位有下

4、降趋势，在120mV电压下制备的TiO2薄膜抗腐蚀能力最好，但黑暗处TiO2薄膜反而促进碳钢腐蚀，这样在黑暗处，TiO2薄膜起不到防腐的作用，由此考虑可以将TiO2与其他半导体或金属复合，或是别的方法，来使其在白天黑夜都能起到防腐的作用。Raghavan7Subasri[4]等人研究了不同比例的SnO2与TiO2的复合物对铜的抗腐蚀能力，认为当质量比为1∶1时在紫外光照下的保护能力最强，并且TiO2将其多余的电子转移到SnO2的表面使其在黑暗时将电子释放，SnO2的禁带宽度比TiO2宽，但导带位置低于TiO2，所以导电性较好，利于电子的传递。WO3有储存电子的能力[7]但不

5、能直接用WO3保护金属，Pailin将其与TiO2复合，研究TiO2-WO3光催化系统的充放电子行为，研究表明在空气中，当光强度10mWcm-2时影响不大；此外充电率随大气湿度增大而增大（光强度为10mWcm-2时）。利用WO3的储存电子能力，TetsuTatsuma[9]等人研究了TiO2-WO3涂层的光电化学抗腐蚀系统。发现光照TiO25h后涂有单层WO3的电极的开路电压虽有所升高但仍处在腐蚀电压以下（腐蚀电压-0.1V，光照-0.45V，暗处-0.21V左右，相比于Ag/AgCl参比电极）且保持30h，当涂有两层WO3时，在暗处可保持60h以上。由此可见WO3的储存电

6、子能力是相当有利于金属抗腐蚀的，可以将其应用于大气防腐中（因其导带较正必须与其它半导体复合）。相比于TiO2的纳米颗粒，TiO2纳米管阵列排列更规整有序，在与其它半导体掺杂时便于在电镜下观察且光电性能较颗粒好，因此可以将纳米管应用到抗腐蚀中，与TiO2纳米颗粒相比，纳米管结构能提供更有效的表面活性中心，进而增加电荷的表面传输速率和使量子产率最大化。Jing7Li[11]等研究了在TiO2纳米管阵列上复合CdS保护不锈钢。由极化曲线发现304不锈钢与光照的CdS-TNs（TiO2纳米管）偶联得到测的极化电压比未偶联的明显更负（-460～-315mV）。涂上CdS-TNs后的3

7、04不锈钢的腐蚀电位一直在自腐蚀电位以下，且光的吸收波长红移，在可见光区有吸收。紫外（360nm）照射1h后避光可维持2h进行保护，虽然电压有所上升但仍低于304不锈钢的自腐蚀电压。由TNs和CdS-TNs的紫外-可见光谱看出两者在紫外区都有较强吸收而后者在可见光区有明显的吸收，由此作者用白光照与CdS-TNs复合的304不锈钢1h后避光，发现避光后的电压只有轻微的上升且能保护19h以上。这可以看出CdS-TNs在白光下比在紫外下有更好的电子储存能力，猜测原因是紫外照射下得到的电子空穴对的能量大，在避光后容易复合及