[发明专利]一种ZnO/ZnS/CdS光阳极薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种ZnO/ZnS/CdS光阳极薄膜及其制备方法。包括以下步骤:将锌盐完全溶解于溶剂中后，将其滴涂在预处理后的FTO导电玻璃上，在350～385℃空气氛围中煅烧2～3h，将其放入锌盐和六亚甲基四胺的混合溶液中，在90～98℃下反应4～8h，得到ZnO纳米棒阵列膜后，置于硫源溶液中，于85～95℃下加热4～16h，得到ZnO/ZnS纳米管阵列膜后，置于镉源醇溶液中，在165～180℃下加热4～8h，即得。本发明克服了传统CdS、ZnO材料稳定性低的问题，同时提升了ZnO材料的光吸收范围，可同时获得高效率、零能耗、长寿命、可对被保护的金属进行阴极极化的光阳极复合材料。

技术领域

本发明属于纳米防腐材料合成技术领域。更具体地，涉及一种ZnO/ZnS/CdS光阳极薄膜及其制备方法，该光阳极薄膜可作为海洋工程装备的光电化学阴极保护材料。

背景技术

在高温、高湿和高盐恶劣的海洋腐蚀环境下，由氯离子快速扩散和持续渗透引发的金属锈蚀，是导致土木工程结构材料劣化和结构性能退化的症结所在。阴极保护是一种高效和持久的防腐措施，美国腐蚀工程师协会(NACE)和联邦公路管理局(FHWA)指出：阴极保护是已被证实的唯一能够遏制并修复氯盐污染工程结构金属腐蚀破坏的有效防护技术。传统的阴极保护分为牺牲阳极和外加电流两大类，前者需要持续消耗自腐蚀电位低于被保护钢筋的阳极金属材料，后者需要持续输入并适时调节外部阴极电流。因此，受到跨海运输补给和离岸市电整流的条件限制，传统的阴极保护技术在南海等重大基础设施建设中的应用有很大局限。南海是全球最大的太阳辐照天然光源区之一，年均气温大于30℃的天数高达160天，约是我国其它海域的15～25倍；年日照辐射总量接近7000MJ/m²，约是其它海域的3～6倍，拥有丰富的光场资源优势，具有重大基础设施建设中实施光电阴极保护的天赋异禀。因此，发展零能耗、免维护、长寿命的南海海域工程结构新型光电阴极保护技术是具有充分技术可行性和重要现实意义的研究课题。

光电化学阴极保护技术是利用取之不竭的太阳能来进行腐蚀防护，正引起科研工作者的广泛关注。它的原理是n型半导体光阳极在受到入射光激发的条件下，价带电子被激发到导带，形成光生电子空穴的分离。如果光生电子电势比金属自腐蚀电位更负，那么它们便可以转移到与之形成电连接的金属上，并在该金属表面形成富集，从而实现对该金属的阴极保护。半导体光阳极作为光电转换中心持续的转换太阳能产生光生电子，它无需通过外加电能或腐蚀掉牺牲阳极材料来提供电子。同时，光生空穴可以转移到光阳极的表面，将其周围的水、有机污染物以及污损微生物氧化，还可以在一定程度上达到环境净化、杀菌防污的目的。

ZnO是一种较为廉价的半导体材料，合成方法简单安，电导率比TiO₂高出几十倍，是一种较为理想的光电材料。由于其合成方法简单，形貌尺寸易调控，化学物理性质稳定等优势，在光催化、能源等领域都有良好的应用。ZnO材料本身也存在一些问题尚待解决：禁带宽度较宽，只能吸收紫外光；对光的利用率较低；光生电子空穴复合率较强等问题，限制了它的光电转换效率以及其在光电领域的应用。中国专利文献CN 104928648 A公开了一种氧化锌光阳极薄膜及其制备方法和应用，利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)在FTO衬底上制备ZnO光阳极，在保证具有较好光电化学电池性能的基础上，降低ZnO光阳极制备的繁琐性和生产成本。但是单独使用ZnO作为光电极时，由于其禁带宽度较大，对可见光的利用率低，只能吸收紫外光，影响了在光电化学阴极保护技术领域的应用。