我国海岸线漫长,近年来随着海洋经济高速发展,我国海岸工程、码头、离岸风电、跨海桥梁建设体量迅猛扩张,钢铁材料大量应用。然而海洋腐蚀问题是海洋开发过程中面临的主要威胁之一。因此,海洋环境腐蚀与控制受到国内外学者的广泛关注。光致阴极保护有效地利用海洋环境太阳能充足、盐度高的特点对需要保护的钢铁材料进行阴极保护。二氧化钛(TiO2)纳米材料是光致阴极保护领域常用半导体材料,然而TiO2纳米材料自身也存在一些缺陷,影响了 TiO2纳米材料的应用。诸如:TiO2纳米材料禁带宽度较大,限制了其对可见光的吸收,致使太阳光谱中大部分的能量无法利用;TiO2纳米材料中光生载流子复合速率过大,致使光生电子利用率较小,不能为被保护金属提供充足的电子。本文针对TiO2纳米材料禁带宽度较大只能吸收紫外光这一缺陷,通过金属硫化物改性TiO2纳米管阵列,拓宽其光吸收范围,加快光生载流子分离。具体研究内容如下:(1)以Ti箔为基体,以氟化铵溶液为电解质溶液通过两步阳极氧化法制备管径均匀、相互独立、高度有序的TiO2纳米管阵列。并用扫描电子显微镜、X射线衍射等表征手段对样品的形貌、组成进行表征。(2)Q235碳钢是一种海洋工程常用钢,针对Q235碳钢在海洋环境的腐蚀问题:本论文通过水热法在TiO2纳米管阵列的表面制备了 CdIn2S4纳米粒子对TiO2进行改性。作为一种窄禁带(2.1 eV)半导体材料,CdIn2S4的负载能够有效地拓宽TiO2的吸光范围;CdIn2S4的导带(-0.76 eV vs.NHE)比TiO2的导带(-0.29 eV vs.NHE)更负,CdIn2S4导带中的光生电子能够传递到TiO2的导带提高TiO2光致阴极保护性能;另外,与TiO2类似CdIn2S4是一种n型半导体。当CdIn2S4与TiO2偶联时,会在界面构建n-n型异质结,进而抑制光致载流子的复合。在可见光照射下能够为Q235碳钢提供50 μA·cm-2光致电流密度,400 mV的电位降。(3)304不锈钢是海洋工程的另一种常用钢铁材料。针对304不锈钢在海洋环境中易遭受腐蚀得问题:本论文采用水热法在TiO2纳米管阵列的表面负载MoS2微球对TiO2进行改性。作为一种金属硫化物MoS2的带隙比TiO2小、吸光范围比TiO2宽,这有利于拓宽被敏化的TiO2的吸光范围;MoS2是一种p型半导体,与TiO2复合后可以在MoS2/TiO2界面构成p-n异质结,加速光生载流子的分离;此外,MoS2作为一种二维过渡金属双硫族层状半导体具有类似于石墨烯的结构,具有很高的导电性,进一步加速光生载流子的分离。因此MoS2/TiO2纳米复合材料具有更优异的光致阴极保护性能。在可见光照射下,能够为304不锈钢提供45 μAOcm-2光致电流密度,500 mV的电位降。(4)CdIn2S4与MoS2改性的TiO2纳米复合材料有效地提高了 TiO2纳米管阵列的光致阴极保护性能。然而,PL光谱显示,CdIn2S4与MoS2改性的TiO2纳米复合材料光生载流子复合速率仍然较高,为进一步提高光生载流子的分离效率,本论文采用连续离子层吸附法和光还原法在TiO2纳米管阵列的表面沉积了 In2S3和Ag纳米粒子对TiO2进行改性。In2S3的窄禁带优势能够有效地提高TiO2在可见光区的吸光性能;Ag纳米粒子的等离子共振效应能够抑制In2S3和TiO2中光生载流子的复合速率;两者能够有效地提高TiO2纳米管阵列的光致阴极保护性能。在可见光照射下能够为304不锈钢提供45 μA·cm-2光致电流密度,530 mV的电位降。(5)极性有机阴离子对TiO2进行改性是降低TiO2光致载流子复合率的一种良好的策略。本论文通过水热法将4NBT嫁接到TiO2纳米管阵列上对TiO2进行改性。Ti-S键的形成改变了 TiO2纳米管阵列的价带结构,减小的带隙宽度,增加了 4NBT-TiO2纳米复合材料对可见光的吸收范围;4NBT苯环的存在加速了光生载流子的分离;相对于TiO2纳米管阵列,制备的4NBT-TiO2纳米复合材料对整体呈现出更优异的光致阴极保护性能。在可见光下能够为304不锈钢提供20 μA·cm-2光致电流密度,320 mV的电位降。综上所述,通过探究,不但提高了 TiO2纳米管阵列光致阴极保护性能,而且对光致阴极保护的内在机理有了更深的探讨。