《太阳能驱动的海洋腐蚀光电化学阴极保护新技术及性能提升机制研究》

随着海洋资源的开发被提到了战略高度,恶劣海洋环境下金属工程材料腐蚀失效异常严重的问题,极大限制了海洋科技的发展,受到了高度重视。而海洋中丰富的太阳能为服役的金属材料的腐蚀防护提供了新思路。利用太阳能为海洋大气及浅层海水中的金属提供光生电子进行阴极保护,作为新型绿色环保的腐蚀防护技术,可从一个新角度进一步解决海洋腐蚀问题。该项目发展了海洋腐蚀防护与光电化学学科前沿强烈交叉融合的光电化学阴极保护技术,主要研究内容、发现点及科学价值如下:

(1)在国际上首次报道了有机高聚物半导体g-C3N4材料具有光电化学阴极保护性能,为新型光电化学阴极保护材料的探索开辟了新的研究方向。指出g-C3N4材料可能是突破光电化学阴极保护技术瓶颈的关键材料之一。为提升其光电化学阴极保护性能,构筑的界面纳米壳核结构O-C3N4@TiO2、C3N4@In2O3和C3N4@ZnO材料提高了电子迁移及光电化学阴极保护效能。

(2)首次通过电化学方法研究了Ag颗粒修饰对g-C3N4材料的光电化学性能的影响,为采用电化学手段分析光电材料及光电化学阴极保护材料性能的关键调控因素奠定了必备理论基础,文章发表在Top期刊上,他引高达127次。在g-C3N4材料的介孔通道中原位负载了低功函Ag纳米颗粒,提升其电子迁移率及界面电子转移能力,光电化学性能得到大幅提升。

(3)揭示了光电化学阴极保护作用的影响机制和必要条件,为光电化学阴极保护技术的实际应用奠定了必要的理论基础。揭示了表面活性组分及结构微变对半导体光电化学阴极保护性能的影响机制。Ni掺杂TiO2中Ni以取代掺杂方式掺进TiO2的Ti位同时带来氧空位,协同促进可见光下对304SS的保护性能。ZnO光电涂层的光伏效应对具有不同自腐蚀电位的Zn、Q235CS和304SS金属腐蚀过程的影响不同,只有当半导体涂层上产生的光生电子的准费米能级比金属的自腐蚀电位更负时,半导体涂层才能对偶联的金属起到光电化学阴极保护作用。

(4)成功研发了制备高量子产率半导体材料的方法,揭示了具有光电阴极保护潜力材料的光电性能提升机制,为光电化学阴极保护材料的选材及性能优化调控提供了必备前提和大量有力借鉴。构筑的界面复合石墨烯-ZnO纳米壳核结构极大降低了薄膜内电子的迁移电阻(他引97次);构建的CdS敏化超长ZnO纳米棒阵列结构的光电流强度显著增大;成功构筑了花状WO3有序储电子基底,使光电阴极保护电极具有光照下充电、暗态下放电的优异持续阴极保护性能,为暗态下该技术的应用增添了可行性。

该项研究将为综合开发海洋金属材料腐蚀防护对策提供更全面的理论指导。项目执行期间,第一完成人发表通讯作者SCI论文47篇,研究专著4部,受到国内外同行的广泛关注,8篇代表性论文他引436次,单篇127次。国家材料环境腐蚀平台副主任杜翠薇教授评价该研究“可为海洋金属的腐蚀防护提供新思路,为光电功能涂层在海洋环境金属防护领域中的应用提供理论指导”。

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