Cr（Ⅲ）基金属有机框架材料改性TiO₂光阳极对304SS的光生阴极保护研究

【作者】 池丽凤； 王秀通； 南有博； 吴沿； 周晖； 孙欣； 侯保荣；

【机构】 中国科学院海洋研究所海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室； 青岛理工大学土木工程学院； 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋腐蚀与防护开放工作室；

【摘要】 金属材料作为结构和功能材料广泛应用于海洋工程中,而严酷的海洋环境极易使金属发生腐蚀。金属腐蚀导致的结构破坏或将酿成重大的安全事故并造成巨大的经济损失。光生阴极保护是一种利用半导体的光电转换性质来保护金属材料的新型阴极保护技术。锐钛矿型TiO₂具有良好的物理化学稳定性、光电转换性质、成本低且制备简单,是一种良好的光阳极材料。然而,其仅吸收紫外光且光生载流子对极易复合。本研究通过制备Cr（Ⅲ）基金属有机框架材料（MOFs）改性的TiO₂纳米复合光阳极来提高TiO₂对304SS的光生阴极保护性能,最终实现了复合材料对金属的腐蚀防护。通过简单的阳极氧化法和水热法成功合成了NH₂-MIL-101（Cr）/TiO₂复合光阳极（记为NMT）,并在同样的条件下分别探讨了合成NH₂-MIL-101（Cr）所需的有机单体（H₂ATA）和无机金属单体（Cr（NO₃）₃）对TiO₂的性能影响,所得阳极分别记为HT和CT。SEM、XRD、FI-IR、XPS等对合成材料的形貌、晶体结构和组成等进行了表征,UV-Vis DRS表明复合材料的可见光性能优于纯TiO₂,PL光谱以及多种电化学测试方法（OCP、i-V和EIS等）表明,NMT、HT和CT的光生载流子分离和迁移效率明显高于纯TiO₂。其中NMT的可见光吸收强度最大,禁带宽度相比TiO₂缩小了0.27 eV,光生载流子复合率最低,并使304SS的电位降至最负位置（约-0.72 V）,因此NMT可为304SS提供最佳的光生阴极保护。结合XPS及能带结构等分析,研究发现NH₂-MIL-101（Cr）通过与TiO₂形成Ⅱ型异质结来提高TiO₂的光生阴极保护性能,而H₂ATA和Cr（NO₃）₃单体则通过元素掺杂来提高TiO₂的光电化学性能,前者更有利于增强TiO₂对304SS的光生阴极保护。更多还原