改性納米TiO2薄膜的光電性能及對提高純鎂耐蝕性的研究.pdf

1、近年來,人們發(fā)現(xiàn)TiO2薄膜具有光電化學(xué)防腐蝕的特性，它能對金屬在腐蝕介質(zhì)中起到光陰極保護(hù)作用，而具有優(yōu)良的光電化學(xué)響應(yīng)，是TiO2薄膜發(fā)揮光陰極保護(hù)作用的基礎(chǔ)，因此研究具有更高光電化學(xué)響應(yīng)的TiO2薄膜，對提高其光陰極保護(hù)作用具有重要的意義。本文通過在TiO2中添加La3+和Zn2+，對TiO2薄膜進(jìn)行改性，以提高其光電化學(xué)響應(yīng)。采用XRD、IR、SEM、UV-vis，對試樣的物相結(jié)構(gòu)、性能和表面形貌進(jìn)行了表征；利用TiO2半導(dǎo)體特性

2、Mott-Schottky理論對TiO2的平帶電位、空間電荷層的載流子量以及空間電荷層寬度進(jìn)行了測試；最后在0.2M的NaSO4溶液中，采用開路電位測試、交流阻抗譜和極化曲線測試，綜合評價(jià)其光陰極保護(hù)性能。首次考察了純鎂表面TiO2薄膜的光電化學(xué)響應(yīng)。并采用第一性原理計(jì)算，計(jì)算純銳鈦礦TiO2及摻雜TiO2的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，從理論化學(xué)的角度探討摻雜對TiO2光吸收的影響。
　　同時(shí)，TiO2薄膜耐酸堿、抗光腐蝕，粘附力強(qiáng)，具有很

3、好的遮蓋能力，使得它成為一種有前途的防腐蝕保護(hù)材料。本文以純鎂為研究對象，通過在TiO2中添加La3+和Zn2+，在純鎂表面制備了摻雜的TiO2薄膜，采用XRD、DSC/TG、SEM，表征試樣的組成和結(jié)構(gòu)；通過動電位極化及電化學(xué)阻抗譜等表征手段，研究了TiO2涂覆純鎂在3.5％NaCl溶液中的腐蝕行為。
　　本文取得的主要研究結(jié)果如下：
　?、賂iO2薄膜光電化學(xué)響應(yīng)的研究。以光照前后開路電位變化值為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過正交實(shí)驗(yàn)，

4、考察了熱處理溫度，薄膜層數(shù)，H2O2與TiO2的體積百分比對TiO2薄膜光電化學(xué)響應(yīng)的影響。并通過 La3+，Zn2+離子摻雜對TiO2薄膜進(jìn)行改性，考察了摻雜濃度，熱處理溫度，薄膜層數(shù)，H2O2與 TiO2的體積百分比對摻雜 TiO2薄膜光電化學(xué)響應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，溫度是影響TiO2薄膜光電化學(xué)響應(yīng)性最重要的因素，3種薄膜具有最佳光電化學(xué)響應(yīng)的溫度均為300℃，這是因?yàn)?00℃熱處理后，TiO2晶粒完善，平帶電位較負(fù)，載流子量高。<

5、br>　　對比3種TiO2薄膜經(jīng)過300℃熱處理后在光照前后的開路電位變化值，分別為：543.6mv、837.8mv、896.9mv。說明TiO2薄膜具有良好的光電化學(xué)響應(yīng)，
　　通過La3+和Zn2+摻雜，提高了TiO2薄膜的光電化學(xué)響應(yīng)，這是由于載流子量增大所致。La3+摻雜抑制了晶粒的長大和晶型的轉(zhuǎn)變，使 TiO2薄膜具有更大的比表面積，同時(shí)La3+摻雜會造成TiO2薄膜表面電荷不均勻，表面出現(xiàn)更多的活性中心，有利于表面反應(yīng)

6、的發(fā)生，使光生電子-空穴對得到有效分離；而Zn2+摻雜，會在TiO2薄膜中形成淺勢阱，同時(shí)在 TiO2薄膜表面生成ZnO小團(tuán)簇，與 TiO2形成復(fù)合半導(dǎo)體，進(jìn)而提高了TiO2薄膜的光電化學(xué)響應(yīng)。本文將改性 TiO2薄膜涂覆與純鎂上，首次發(fā)現(xiàn)TiO2薄膜在純鎂上表現(xiàn)出光電化學(xué)響應(yīng)，為在純鎂表面實(shí)現(xiàn)TiO2薄膜的光生陰極保護(hù)，提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　?、陔娮咏Y(jié)構(gòu)的第一性原理計(jì)算表明：純TiO2在費(fèi)米能級附近存在較寬的禁帶寬度，Eg=2.2

7、1eV。La3+摻雜后的TiO2的禁帶寬度Eg=2.11eV，光學(xué)吸收曲線計(jì)算表明，La3+摻雜后的TiO2較純TiO2吸收邊紅移，擴(kuò)大了光譜響應(yīng)范圍。Zn2+摻雜后的TiO2的禁帶寬度Eg=1.58eV，光學(xué)吸收曲線計(jì)算表明，Zn2+摻雜后的TiO2較純TiO2和La3+摻雜后的TiO2吸收邊紅移，擴(kuò)大了光譜響應(yīng)范圍。
　?、奂冩V表面 TiO2薄膜的耐蝕性研究。通過正交實(shí)驗(yàn)，考查了TiO2溶膠濃度，薄膜層數(shù)，熱處理溫度對純鎂表面

8、 TiO2薄膜耐蝕性的影響，得到最大阻抗值為1083Ω，較其純鎂阻抗值419Ω有明顯提高，說明TiO2薄膜有效提高純鎂的耐蝕性。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，TiO2薄膜出現(xiàn)開裂是TiO2薄膜耐蝕性下降的重要原因。通過 La3+，Zn2+離子摻雜對TiO2薄膜進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)熱處理溫度依然是影響摻雜 TiO2薄膜耐蝕性的關(guān)鍵因素，其最佳熱處理溫度為300℃，得到阻抗值分別為：822.5Ω和1437Ω，明顯提高了純鎂的耐蝕性，說明摻雜使Ti