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Ag~+掺杂TiO_2薄膜在304不锈钢上的制备及其抗海水腐蚀性能研究

作　者: 洪海霞
导　师: 尹衍升
学　校: 中国海洋大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 银掺杂二氧化钛薄膜海水腐蚀硫酸盐还原菌
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着海洋开发时代的迅速发展,海洋资源开发、海上运输、海港和海防建设等领域都需要大量的专用防腐材料和表面防护技术。传统的防腐蚀措施存在有毒污染、损耗大、寿命短、成本高等缺点,金属材料海水腐蚀尤其是微生物腐蚀问题是当今亟待解决的课题。因此,研究新材料的制备科学和工艺技术、失效机制,探索未来海洋开发所需求的新型抗微生物腐蚀材料模型对于海洋开发有着重要的战略意义。纳米TiO2涂层应用于钢铁基体防腐蚀与电镀牺牲性金属一样相当于阴极保护,光照射下可产生光生电子与空穴,生成的电子注入钢铁基体使其电极电位降低至不发生腐蚀的阴极保护区,达到防止海水腐蚀的目的。纳米TiO2以其催化性能优良、化学稳定性好、无毒、成本低、使用寿命长等优点倍受青睐,成为当前最有应用潜力的光催化剂之一。但是TiO2的光生电子和空穴容易发生复合,光催化效率低,只能在紫外区显示光化学活性,抗腐蚀和杀菌效果较弱。为了扩展其光源范围,提高光催化杀菌活性,将光催化抗菌剂与银离子溶出型抗菌剂复合,使之既可以有效防止TiO2光催化时电子-空穴对的复合,能在较强的光照下进行光催化杀菌,同时又在黑暗中发挥银离子本身优异的杀菌能力,获得无机抗菌剂协同抗菌作用,为金属在海洋环境中的抗腐蚀研究提供一个新的思路。本课题分离提纯了致使钢结构发生海水腐蚀破坏的主要厌氧菌种硫酸盐还原菌(以下简称SRB),研究了304不锈钢(以下简称304ss)在富集SRB菌种的海水培养基中的浸泡腐蚀规律。结果表明SRB菌种的存在加速了304ss的腐蚀进程,引发全面的孔蚀和坑蚀。以304ss为研究对象,利用溶胶-凝胶法获得TiO2及Ag+掺杂TiO2溶胶(以下简称Ag+/TiO2),通过浸渍-提拉法和适当的热处理过程,同时探索制备溶胶的最佳工艺条件,在304ss表面获得致密、均匀的TiO2薄膜和Ag+/TiO2薄膜。各项测试如TG-DTA、XRD、SEM及EDS等表明,TiO2薄膜为锐钛矿型晶型结构；薄膜中一部分Ag+与Ti4+形成了Ag-O-Ti结构,Ag-O-Ti结构可能会抑制二氧化钛晶粒的正常生长；另一部分则以银纳米团簇的形式均匀弥散在TiO2微晶之间。紫外可见吸收光谱测试表明,银离子的掺杂拓宽了TiO2的光响应范围,吸收峰发生显著红移,光吸收强度相应增强。当有紫外光照射时,Ag+/TiO2/304ss电极在海水介质中的开路电位下降幅度超过TiO2/304ss电极的两倍,Ag+/TiO2薄膜的光电转化性能较纯TiO2薄膜显著提高。测试结果表明,TiO2薄膜和Ag+/TiO2薄膜均可使金属基体处于阴极保护状态而免受腐蚀,后者较前者保护作用显著增强。采用最大可能计数(MPN)法分别对TiO2和Ag+/TiO2进行可见光条件下杀菌测试。结果表明,后者杀菌率达到97%,高出前者11.7%,说明微量Ag+的掺杂即显著提高了TiO2薄膜的杀菌性能。分析认为,银离子对TiO2具有协同增强杀菌效果。使用电化学方法研究304ss电极、TiO2/304ss电极和Ag+/TiO2/304ss电极在富集SRB菌种的海水培养基中长期浸泡过程的腐蚀规律。结果表明,304ss表面TiO2薄膜和Ag+/TiO2薄膜的存在,降低了其腐蚀电流密度,腐蚀速率下降,电极反应的电荷转移电阻增大,表明薄膜的存在能有效阻止海水和微生物SRB的腐蚀作用。腐蚀形貌SEM测试结果也说明了同样的抗腐蚀规律。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 绪论  11-20
  1.1 引言  11-12
  1.2 微生物腐蚀的研究背景  12-15
    1.2.1 微生物腐蚀研究概况及进展  12-13
    1.2.2 硫酸盐还原菌的腐蚀机制  13-14
    1.2.3 金属腐蚀的防治方法  14-15
  1.3 二氧化钛薄膜的研究现状  15-18
    1.3.1 TiO_2的结构及应用性能  15-17
    1.3.2 TiO_2薄膜的制备方法研究进展  17-18
  1.4 课题立论依据、研究方法及创新点  18-20
    1.4.1 立论依据  18-19
    1.4.2 研究内容  19
    1.4.3 学术思想创新性与创新点  19-20
2 304不锈钢在海水中的腐蚀行为研究  20-31
  2.1 引言  20-21
  2.2 实验过程  21-24
    2.2.1 细菌培养鉴定  21-23
    2.2.2 实验材料  23
    2.2.3 电化学测试方法  23
    2.2.4 生物膜及腐蚀形貌观察  23-24
  2.3 结果与讨论  24-30
    2.3.1 细菌形貌观察  24-25
    2.3.2 304ss在SRB菌液中的腐蚀形貌观察  25-26
    2.3.3 极化曲线测试  26-27
    2.3.4 电化学阻抗谱测试  27-29
    2.3.5 304ss在SRB菌液中的腐蚀规律  29-30
  2.4 本章小结  30-31
3 二氧化钛薄膜的制备工艺及性能测试  31-42
  3.1 引言  31-32
  3.2 实验过程  32-34
    3.2.1 实验原料和仪器  32-33
    3.2.2 TiO_2薄膜的制备过程  33-34
    3.2.3 TiO_2薄膜的表征和测试方法  34
  3.3 结果与讨论  34-41
    3.3.1 TiO_2薄膜制备工艺条件的确定  34-38
    3.3.2 TiO_2薄膜的表征分析  38-40
    3.3.3 TiO_2薄膜的光电转化性能  40-41
  3.4 本章小结  41-42
4 银离子掺杂二氧化钛薄膜的制备及其抗腐蚀行为研究  42-74
  4.1 引言  42-43
  4.2 实验过程  43-47
    4.2.1 Ag~+/TiO_2薄膜的制备过程  43-45
    4.2.2 Ag~+/TiO_2薄膜的表征方法  45-46
    4.2.3 Ag~+/TiO_2杀菌率测试方法  46
    4.2.4 Ag~+/TiO_2/304ss的海水腐蚀行为研究方法  46-47
  4.3 结果与讨论  47-72
    4.3.1 Ag~+/TiO_2薄膜制备因素分析  47-60
    4.3.2 Ag~+/TiO_2薄膜的分析表征  60-66
    4.3.3 Ag~+/TiO_2/304ss抗海水微生物腐蚀性能研究  66-72
  4.4 本章小结  72-74
5 结论与展望  74-76
  5.1 结论  74-75
  5.2 展望  75-76
参考文献  76-80
致谢  80-81
个人简历  81
攻读硕士学位期间发表的学术论文  81

Ag~+掺杂TiO_2薄膜在304不锈钢上的制备及其抗海水腐蚀性能研究

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