[发明专利]一种用于光生阴极保护的石墨烯/氧化铜/二氧化钛复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于防腐纳米材料制备领域，具体涉及一种用于光生阴极保护的石墨烯/氧化铜/二氧化钛复合材料及其制备方法。利用光照下，复合材料中氧化铜和二氧化钛上的电子会被激发迁移至不锈钢电极，使得不锈钢电极上的电子密度增加、电位降低，从而使不锈钢得到有效的保护；当光照停止后，利用氧化铜中储存的电子释放出来转移到不锈钢电极，从而在黑暗的环境下也能对金属起到一定的防腐效果。

技术领域

本发明属于防腐纳米材料制备领域，具体涉及一种用于光生阴极保护的石墨烯/氧化铜/二氧化钛复合材料及其制备方法。

背景技术

金属材料与我们的日常生活密不可分，但其在使用过程中常常伴随腐蚀现象的发生，造成环境污染、资源浪费，严重危害人们的工作和生活，而且对国民经济也造成一定的影响，因此需要采取一定的措施对金属加以防护。目前金属防腐的方法主要有牺牲阳极法、外加电流法、光阴极保护法等。其中光生阴极保护是近年来发展出来的一种新型的防腐技术，具有不牺牲阳极、不消耗电能、价格低廉等优点。其基本原理为：半导体受到光的激发后会产生电子-空穴对，空穴被电解质中的捕获剂消耗，而电子从其价带跃迁至导带，并进而迁移到电势较低的金属表面，使得金属表面电子密度增加，电位降低至自腐蚀电位以下，从而达到防腐的效果。

众多半导体材料中，二氧化钛具有其无毒性、稳定性等特点，因而一直以来都是光电领域研究的热点，但其禁带宽度较大，对可见光的利用率不高，而且受激发所产生的电子-空穴对容易发生复合，因此需要对其改性以提高其光响应范围和电子分离效率。

发明内容

本发明提供了一种用于光生阴极保护的复合材料，即石墨烯/氧化铜/二氧化钛复合材料，并将该复合材料用于金属在黑暗环境下的防腐，

本发明还提供了一种上述石墨烯/氧化铜/二氧化钛复合材料的制备方法：

首先以氧化石墨和铜盐为原料，通过微波水热法将氧化铜纳米棒沉积在石墨烯片层上；然后以四氯化钛为钛源进一步微波水热将二氧化钛纳米颗粒原位负载在石墨烯片和氧化铜纳米棒上，得到石墨烯/氧化铜/二氧化钛复合材料，

具体操作为：

(1)将铜盐和尿素加入到氧化石墨分散液中，充分搅拌后装入水热釜中，并将水热釜移至微波反应器中，于100～140℃下微波水热反应10～60min，待冷却至室温(25℃，下同)后抽滤，滤饼经洗涤后在60～80℃下干燥，并于300～500℃下氮气氛围中煅烧1～3h，即得到石墨烯/氧化铜复合材料，

其中，铜盐为硝酸铜、硫酸铜和醋酸铜中的一种，铜盐与尿素的质量比为3:1，氧化石墨分散液中氧化石墨的浓度为1～3mg/mL，所生成的氧化铜与氧化石墨的质量比为5～20:1；

(2)搅拌状态下，向四氯化钛溶液中逐滴加入氢氧化钠溶液，直至混合溶液的pH为5～7，得到二氧化钛水合物前驱体，再向其中加入步骤(1)中得到的石墨烯/氧化铜复合材料，继续搅拌1～3h，然后将混合体系转装入水热釜中，并将水热釜移至微波反应器中于160～200℃下微波水热反应30～60min，待冷却至室温后抽滤，滤饼经洗涤后在60～80℃下干燥，即得到石墨烯/氧化铜/二氧化钛复合材料，

四氯化钛溶液的浓度为2～3mol/L，氢氧化钠溶液的浓度为2～3mol/L，石墨烯/氧化铜复合材料与所生成的二氧化钛的质量比为0.5～2:1。

本发明的基本原理：在光照下，复合材料中氧化铜和二氧化钛上的电子会被激发，二氧化钛受激发产生光生电子从其价带跃迁到导带，由于石墨烯良好的导电性，作为电子传输的桥梁，将大量的电子从二氧化钛的导带迅速迁移至不锈钢电极，使得不锈钢电极上的电子密度增加，电位降低至低于其自腐蚀电位，从而使。此外，部分电子从二氧化钛迁移到氧化铜的导带，氧化铜上的电子可经过还原反应储存，当光照停止后，氧化铜中储存的电子释放出来，并经石墨烯转移到不锈钢电极，从而在黑暗的环境下也能对金属起到一定的防腐效果。