基于BiVO4/WO3的储能型光生阴极保护涂料研究
金属腐蚀是普遍存在的自然现象，腐蚀会导致材料失效、结构破损、系统故障，造成各类经济损失。目前，阴极保护与涂层仍是金属防腐蚀领域最主要、应用最广泛的技术手段。但是，传统的阴极保护技术也存在一定的局限性，外加电流阴极保护对能源供给有严重的依赖性，而牺牲阳极阴护极保在使用过程中不断向环境释放各种金属离子。因此，对传统的阴极保护方法改进提高或者技术革新非常迫切。光生阴极保护是将光催化技术与传统阴极保护技术相结合，应用于金属腐蚀防护领域的新策略。其基本原理是光催化材料在光照条件下产生光电子并传导至受保护金属，使金属阴极极化进而受到保护。由于光生阴极保护技术节能、环保的特点，近年来其相关研究得到了国内外学者的广泛关注，并逐渐发展成为研究热点。然而，该技术在走向工程化应用的过程中还面临诸多技术挑战，其中，在暗态环境下延续阴极保护效果是亟待解决的首要技术难题。 本文针对解决暗态下延续阴极保护问题的技术需要，基于储能策略，采用光催化材料钒酸铋(BiVO4)与储能材料三氧化钨(WO3)复合的技术思路,分别制备了球状BiVO4/WO3和片状BiVO4/WO3光催化复合材料。在此基础上，将制备的两种不同形貌光催化复合材料作为功能填料，与环氧树脂复配，制备出储能型光生阴极保护涂料，涂刷于304不锈钢(304SS)表面获得原位保护涂层。通过对两种光催化复合材料及其改性涂层的成分、结构和性能等进行综合测试表征，获得以下研究成果: 1.分别制备了球状BiVO4(sBiVO4)和WO3粉末材料，再通过原位合成的方法制备出不同Bi/W配比的球状BiVO4/WO3光催化复合材料(sB1W1、sB7W1 和 sB12W1)。利用 SEM、XRD、XPS 等测试表征了材料的基本特性。利用紫外光谱、荧光光谱、电化学等技术手段测试了以上几种材料的光电化学性能。测试结果表明，sB7W1的光吸收范围更宽，电子-空穴分离率更高，光生阴极保护效果更佳。光照条件下，sB7W1光阳极可产生的最大光电流密度为90.08 μA/cm2,可使304SS的开路电位负移200 mV。暗态条件下，使304SS的开路电位负移80 mV,阴极保护效果得到一定程度的延续，这表明sB7W1具有一定的储能效果，具备暗态条件下延续阴极保护的能力。 2.通过改变合成参数制备了片状BiVO4(fBiVO4),再通过原位合成的方法制备片状BiVO4/WO3光催化复合材料(fB7W1),进一步提升了BiVO4及其复合材料体系的性能。利用SEM、XRD、XPS等测试表征了材料的基本特性。利用BET、EPR测试分析材料的比表面积和氧空位信号。利用紫外光谱、荧光光谱、电化学等技术手段对比研究了 sBiVO4,sB7W1，fBiVO4和fB7W1的光电化学性能。测试结果表明，fB7W1的光吸收范围更宽，电子-空穴分离率更高，光生阴极保护效果更佳。光照条件下，fB7W1光阳极可产生的最大光电流密度为215.88 μA/cm2,可使304SS的开路电位负移330 mV。暗态条件下，fB7W1光阳极使304SS的开路电位负移200 mV。这表明，fB7W1具有一定的储能效果。在光照和暗态条件下，fB7W1都具有更佳的光生阴极保护效果。 3.分别以sB7W1和fB7W1作为功能填料，与环氧树脂复配，制备储能型光生阴极保护涂料，并涂刷于304SS表面，获得原位光生阴极保护涂层sEBW和fEBW。SEM、接触角、涂层力学性能测试结果表明，涂层具有较好的平整性、浸润性和良好的综合力学性能。涂层的光生阴极保护性能测试结果表明，光照条件下，sEBW涂层和fEBW涂层可产生的最大光电流密度分别为250 μA/cm2和550 μA/cm2。短时OCP-t测试中，sEBW涂层和fEBW涂层使304SS的开路电位分别负移了 280 mV和350 mV。长时OCP-t测试结果表明，连续光照1 h后，fEBW涂层对304SS可延续3 h的阴极保护效果。相比于sEBW涂层，fEBW涂层在光照和暗态时的光生阴极保护性能更佳。
光生阴极保护涂料;制备工艺;结构表征;力学性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
刘斌
2023
中文
TQ630.6
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）