本发明专利技术涉及一种用于光生阴极保护的Fe2O3/TiO2(FTNAs)纳米复合光阳极材料的制备和应用。首先通过阳极氧化法在钛基底表面原位制备TiO2纳米管阵列(TNAs)，再通过氧化‑沉积过程将Fe2O3纳米颗粒负载在TNAs表面，制备FTNAs纳米复合光阳极材料。本发明专利技术制备的FTNAs纳米复合光阳极材料方法简单。与TNAs相比，显示出更高的光电流密度。在模拟太阳光的照射下，被保护的碳钢电极电位降低295mV，具有优异的光生阴极保护效果。
Preparation and Application of a Fe2O3/Titania Nanocomposite Photoanode Material
The present invention relates to the preparation and application of Fe2O3/Titania (FTNAs) nanocomposite photocathode material for photocathode protection. Firstly, titanium nanotube arrays (TNAs) were prepared in situ on the surface of titanium substrate by anodic oxidation, and then Fe2O3 nanoparticles were loaded on the surface of TNAs by oxidation-deposition process to prepare FTNAs nanocomposite anode materials. The FTNAs nanocomposite photoanode material prepared by the invention has a simple method. Compared with TNAs, it shows higher photocurrent density. Under simulated sunlight irradiation, the potential of the protected carbon steel electrode is reduced by 295 mV, which has excellent photocathode protection effect.
【技术实现步骤摘要】
一种Fe2O3/TiO2纳米复合光阳极材料的制备和应用
本专利技术涉及一种用于控制碳钢材料腐蚀的Fe2O3/TiO2纳米复合光阳极的制备方法和应用。
技术介绍
二氧化钛(TiO2)因其稳定的化学性质和良好的光电性能被视为具有良好发展前景的材料之一。现已在光催化、光降解、光敏传感器和电池等领域广泛应用。现有研究表明，由于TiO2的理论带隙宽度为3.2eV，导致TiO2只能吸收太阳光中占比很小的紫外光，限制TiO2中电子-空穴对的产生和分离，影响其光电特性(L.Troian-Gautier,B.N.DiMarco,R.N.Sampaio,S.L.MarquardandG.J.Meyer,J.Am.Chem.Soc.140,3019,2018)。因此，为了提高TiO2光吸收率，学者将TiO2做成纳米管阵列的形态(TNAs)，增加TiO2与光的接触面积。同时，与TiO2相比，TNAs显示出更强的电子转移效率(M.Michalska-Domańska,P.NygaandM.Czerwiński,Corros.Sci.134,99,2018)。然而，在光照条件下分离出的电子-空穴对极易发生复合，导致在腐蚀领域，TNAs的光生阴极保护效果远远没有达到预期。为了提高电子-空穴对的分离效果，通常采用金属、非金属、金属氧化物和有机材料对TNAs进行负载或是敏化，降低TNAs带隙，提高TNAs的光电转化能力。研究显示，在相同条件下，大部分光阳极材料对不锈钢可以显示出较好的光生阴极保护效果，而对碳钢的腐蚀防护效果不佳，这是由于碳钢材料的电极电位较低(Y.Bu,Z.Chen,J.Ao,J.HouandM.Sun,J.Alloy.Compd.731,1214,2018)。与Cd、Sn和Te等现有掺杂材料比，Fe2O3显示出化学稳定性好、毒性低和分布广等特点。有研究表明，经过Fe2O3掺杂后的TNAs(FTNAs)带隙变窄，显示出更宽的光谱相应、更长时间的稳定和更强的光催化能力(B.Sun,W.Zhou,H.Li,L.Ren,P.Qiao,F.Xiao,L.Wang,B.JiangandH.Fu,Appl.Catal.B:Environ.221,235,2018)。因此，选取Fe2O3对TNAs进行掺杂，具有降低TNAs带隙、延缓电子-空穴对的复合的潜在效果，使改性TNAs应用于碳钢材料的光生阴极保护成为可能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于制备出用于碳钢材料的具有光生阴极保护效果的Fe2O3/TiO2纳米复合光阳极材料，使其对碳钢材料显示出良好的光生阴极保护效果。为实现上述目的，本专利技术提供的FTNAs纳米复合光阳极材料，以钛板和铁板为原材料，采用氧化-沉积法制备FTNAs纳米复合光阳极材料。具体合成FTNAs纳米复合光阳极材料后如下：1)TNAs的制备：制备FTNAs纳米复合光阳极材料的第一步为制备具有高序结构的TNAs。使用恒电位阳极氧化法制备TNAs。使用规格为3.0×3.0×0.1cm、纯度为99.9％的铂片为阴极；规格为1.0×1.0×0.2cm、纯度为99.5％的钛板为阳极。所有钛板均在去离子水、丙酮和无水乙醇中分别超声清洗15min。在质量分数为97％的乙二醇溶液中添加质量分数为0.5％的NH4F作为电解液(电解液1)，在30-50V的条件下氧化1-5h。将氧化后的钛板在去离子水中超声清洗15min，去除钛板表面氧化层。再在电解液1中，以30-50V的电压氧化1-5h，即获得具有高序结构的TNAs前驱体(电极1)。2)FTNAs的制备：采用氧化-沉积法制备FTNAs纳米复合光阳极材料。使用电极1作为阳极，规格为1.0×1.0×0.2cm、纯度为99.99％的铁板作为阴极。实验前，阴极(铁板)在去离子水、丙酮和无水乙醇中分别超声清洗15min。首先，将电极1和铁板浸泡在添加浓度为0.02mol/L的Fe(NO3)3的乙二醇溶液中，在4-12V和500r/min的条件下氧化-沉积15min。此过程中，Fe颗粒沉积到电极1表面。3)将初次氧化后的电极1作为阳极，将规格为3.0×3.0×0.1cm、纯度为99.9％的铂片为阴极，浸泡在浓度为1mol/L的KOH的乙二醇溶液中(电解液2)，在4-12V和180r/min的条件下氧化2min。在电解液2中，在12-20V和90r/min的条件下氧化2min。在两次氧化过程中，Fe颗粒被氧化成Fe2O3颗粒，即得到FTNAs纳米复合光阳极材料前驱体。4)将FTNAs纳米复合光阳极材料前驱体放入马弗炉中，以5℃/min的升温速率升至450℃，在450℃的条件下烧制2h，冷却至室温，即得到FTNAs纳米复合光阳极材料。采用腐蚀电解池和光电解池组成的双电解池系统对上述制备的具有光生阴极保护效果的FTNAs纳米复合光阳极材料进行测试。腐蚀电解池为传统的三电极体系，即工作面积为0.785cm2的碳钢电极作为工作电极，面积为3×3cm2的铂片电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极。其中电解质成分如表1所示。在光电解池中，将FTNAs(面积为2cm2)浸泡在表1所示的电解质中，将FTNAs和碳钢电极通过导线连接，并且光电解池和腐蚀电解池通过盐桥(含饱和KCl琼脂)连接。光电解池选用石英材料。实验光源为300W氙灯，模拟太阳光透过石英光电解池直接照射在FTNAs光阳极表面，并使用电化学工作站测试光照前后电流和电压的变化。表1电解液中离子配比本专利技术的基本原理：当Fe2O3负载在TNAs表面上后，FTNAs带隙宽度缩短，有益于吸收太阳光中波长更短的光，提升材料光电性能。部分被激发的光电子转移至碳钢电极表面，使碳钢电极表面电极电位负移。同时，腐蚀反应中的电子供体由Fe变为光生电子，达到控制碳钢材料腐蚀的目的。此外，根据导带价带位置以及模拟结果，TNAs表面电子易转移到Fe2O3纳米颗粒上，而Fe2O3纳米颗粒表面空穴易转移到TNAs上，提升电子和空穴在FTNAs中的分离效率。因此，TNAs纳米复合光阳极材料显示出优良的光生阴极保护效果。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用氧化法在钛板表面制备TNAs，并通过氧化-沉积法在TNAs表面负载Fe2O3纳米颗粒，得到FTNAs纳米复合光阳极材料。FTNAs纳米复合光阳极材料具有光电效应灵敏且优异的特点，可作为光生阴极保护系统中的光阳极，特别是针对碳钢材料。将FTNAs与碳钢电极相连，在太阳光的照射下可使碳钢电极电位降低。本专利技术制备FTNAs光阳极纳米复合材料在模拟太阳光的照射下，可使耦合的碳钢材料电极电位降低295mV。在停止光照后，电极电位回升，但仍低于碳钢材料自身的电极电位。对碳钢材料显示出优良的光生阴极保护效果。附图说明图1本实验EIS测试装置，WE为碳钢工作电极，SCE为饱和甘汞电极，CE为铂片电极，Photoanode为光阳极材料(TNAs或FTNAs)。图2TNAs和FTNAs的FESEM图。(a)TNAs表面图；(b)TNAs表面放大图；(c)TNAs侧面图；(d)FTNAs表面图；(e)FTNAs表面放大图；(f)FTNAs侧面图。图3TNAs和FTNAs的XRD图谱。图4TNAs和FTNAs的XPS图谱。(a)TNAs和FTNAs总谱；(b本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于控制碳钢材料腐蚀的Fe2O3/TiO2(FTNAs)纳米复合光阳极材料，其特征在于采用阳极氧化法在预处理后的钛板基底表面原位生长TiO2纳米管阵列(TNAs)后，再通过氧化‑沉积法将Fe2O3纳米颗粒负载在TNAs表面，制备FTNAs。
【技术特征摘要】
2018.09.18 CN 20181108410921.一种用于控制碳钢材料腐蚀的Fe2O3/TiO2(FTNAs)纳米复合光阳极材料，其特征在于采用阳极氧化法在预处理后的钛板基底表面原位生长TiO2纳米管阵列(TNAs)后，再通过氧化-沉积法将Fe2O3纳米颗粒负载在TNAs表面，制备FTNAs。2.根据权利要求1所述的FTNAs，其特征在于所述的阳极氧化法是指：1)在质量分数为97％的乙二醇溶液中添加质量分数为0.5％的NH4F作为电解液，以预处理后的钛板作为阳极，以铂片作为阴极，在30-50V的条件下氧化1-5h。2)将氧化后的钛板在去离子水中超声清洗15min后，再在1)中所述的所述的电解液中，在30-50V的条件下氧化1-5h。氧化后对钛板表面进行润洗，即得到TNAs。3.根据权利要求1所述的FTNAs，其特征在于所述的钛板预处理方法为依次使用去离子水、丙酮和无水乙醇超声清洗15min。4.根据权利要求1所述的铁板的预处理方法为依次使用去离子水、丙酮和无水乙醇超声清洗15min...
【专利技术属性】
技术研发人员：裴元生，崔骏，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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