[发明专利]一种光阳极复合膜、其制备方法及其用途

说明书

本发明公开了一种光阳极复合膜、其制备方法及其用途，属于金属腐蚀与防护技术领域。本发明的光阳极复合膜为TiO₂纳米管内外表面均附着有MoS₂纳米颗粒的TiO₂纳米管阵列复合膜。本发明以阳极氧化法在钛箔表面制备的TiO₂纳米管列膜为基础，采用水热法在TiO₂纳米管内外表面沉积一层具有吸收可见光能力的MoS₂纳米颗粒，得到TiO₂/MoS₂纳米复合膜。本发明TiO₂/MoS₂纳米复合膜的光生电子‑空穴的复合几率较低，光吸收范围扩展，光电转换效率显著提高；该光阳极复合膜对不锈钢具有非常好的光生阴极保护作用。

技术领域

本发明涉及金属腐蚀与防护技术领域，特别涉及一种光阳极复合膜、其制备方法及其用途。

背景技术

腐蚀不仅给我国国民经济造成了每年数万亿元的巨大损失，而且还涉及到人身安全、资源浪费、环境污染等重大的经济和社会问题。因此，全面控制腐蚀是一项艰巨而迫切的任务。

随着纳米技术的迅速发展，人们已意识到纳米材料在金属腐蚀与防护领域将有重要的应用前景。纳米金属氧化物薄膜以其耐高温腐蚀、抗氧化、抗疲劳和耐磨损等特性，具有金属涂层和有机涂层不可比拟的优势，在金属腐蚀控制等领域得到广泛的应用。

自1972年Fujishima等发现TiO₂单晶电极可光解水以来，TiO₂光电化学研究一直方兴未艾。由于TiO₂是宽禁带半导体材料，其吸收阈值小于380 nm，只能吸收大约占太阳光谱4%的紫外光，解决TiO₂光电转换效率、稳定性、性价比等存在的难题是实现TiO₂光电转换应用的关键。1994年Imakawa等在不锈钢表面溅射涂覆一层30-100nmTiO₂的薄膜，发现在紫外光照射下该薄膜对金属基体有明显的阴极保护作用。所谓光生阴极保护是基于阴极保护原理和半导体效应提出的。纳米半导体膜在光照下，价带电子吸收光子激发跃迁到导带，产生光生电子-空穴对，光生电子向与半导体膜耦连的金属表面迁移，产生光生电流，致使金属表面电子密度增加，宏观表现为金属表面电位降低，并远低于金属自然腐蚀电位，此时金属处于阴极保护状态。采用光生阴极保护不需要牺牲阳极，不消耗电能，可实现零排放的“完全绿色”阴极保护。

对防腐蚀而言，光生阴极保护技术令人振奋，但纯TiO₂膜应用于金属材料防腐蚀时遇到了一些关键性问题。一是TiO₂膜只能吸收波长小于387nm仅占太阳光4-5%的紫外光，无法充分利用太阳能；二是TiO₂半导体光生电子与空穴复合率较高，光电转换效率较低。因此，如何增强对可见光的吸收和提高光电转换效率，成为限制该技术发展与应用的瓶颈问题之一。

目前，常见的对TiO₂改性的方法有，离子掺杂、贵金属沉积、半导体复合、染料敏化等。其中，将窄禁带半导体与TiO₂进行耦合可以形成异质结结构，是一种有效且常见的方法。MoS₂是一种具有各向异性的类石墨烯层状结构的二维材料，禁带宽度为1.2-1.8 eV，可以吸收大部分的可见光，具有良好的导电性能，在太阳能电池、光催化和锂离子电池等方面具有良好的应用。但是现有技术中MoS₂改性TiO₂，多为MoS₂纳米片附着在TiO₂纳米线或TiO₂纳米管表面，由于MoS₂是纳米片团簇状，体积较大，无法附着在TiO₂纳米管内外表面，且在TiO₂纳米线或TiO₂纳米管外表面附着不均匀，因此现有的改性TiO₂/MoS₂复合材料依然存在较高的光生电子与空穴复合率，光电转换效率依然不高。

发明内容