[发明专利]一种自捕获氮化碳薄膜的制备方法及其在海洋光电阴极保护中的应用

说明书

本发明公开了一种自捕获氮化碳薄膜的制备方法及其在海洋光电阴极保护中的应用。本发明通过气相沉积技术，将碳酸氢盐或碳酸盐引入氮化碳材料，碳酸盐助剂促进了氮化碳材料的光学吸收，延迟电子和空穴的辐照重组，促进了光生空穴的消耗，显著提高了光电转换效率，制备得到了具有自捕获性能的氮化碳薄膜，所述薄膜水解产生的OH^‑赋予其自捕获空穴性能，使其在海水环境中表现出长效稳定的光电化学阴极保护性能(长效8个小时，且性能保持率达到80％)。利用本发明具有自捕获功能的光阳极薄膜材料，应用于海水环境下的光电阴极保护体系时，不需要添加空穴捕获剂，即可实现就地保护，且长效稳定，为将来的产业化奠定了基础。

技术领域

本发明涉及光电半导体材料技术领域，更具体地，涉及一种自捕获氮化碳薄膜的制备方法及其在海洋光电阴极保护中的应用。

背景技术

电化学保护是海洋腐蚀防护的常用手段，主要分为两种，一种是牺牲阳极的阴极保护法，一种外加直流电源法，然而前者会有阳离子溶解造成环境污染，后者则需要较大的经济支出，尤其对于远海及离岸岛礁设施的保护。利用光电效应进行阴极保护具有良好的天然优势，其主要原理是半导体材料在光照射后，使得光生电子由价带跃迁到导带，然后通过外接导线作用到被保护金属，使其阴极极化低于自身的自腐蚀电位而产生保护。

氮化碳材料因其成本低廉、带隙可控及环境友好等优点而被广泛应用于光催化裂解水、光降解污染物及光电化学阴极保护领域。研究表明，氮化碳材料的价带电势约为1.4V(vs NHE，pH＝7)，理论上可以满足氧化海水的要求，直接应用于海水环境下的阴极保护。以光电阴极保护为例(其他光催化分解水，CO₂还原，N₂还原等领域也存在类似问题)，大部分实验室研究采用空穴捕获剂(氢氧化钠，亚硫酸钠，硫化钠)提高光电分离效率，从而实现对金属的保护，然而，实际应用环境与实验室环境截然不同，并不存在类似的空穴捕获剂，不符在海洋环境中就地保护的实际现状。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种自捕获氮化碳薄膜。

本发明的第二个目的在于提供所述自捕获氮化碳薄膜的应用。

本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：

一种自捕获氮化碳薄膜的制备方法，将二氰二胺和碳酸氢盐或碳酸盐粉体溶解在溶剂中，干燥得到前驱体粉末；将前驱体粉末放入坩埚中，预处理好的基底覆盖坩埚，升温至500℃～600℃，煅烧4～5h得到自捕获氮化碳薄膜。

本申请通过一步气相沉积，将碳酸氢盐或碳酸盐引入氮化碳材料，碳酸氢盐高温加热后生成碳酸盐，碳酸盐助剂促进了氮化碳材料的光学吸收，碳酸盐助剂在延迟电子和空穴的辐照重组中起了重要作用；改性的氮化碳薄膜具有的自捕获特性促进了光生空穴的消耗，显著提高了光电转换效率，同时自捕获氮化碳薄膜与316不锈钢的耦合电位在光照时发生阴极极化，为金属提供了充分的保护；该自捕获氮化碳薄膜水解产生的OH^-赋予其自捕获空穴性能，使其在海水环境中表现出长效稳定的光电化学阴极保护性能，不需要添加空穴捕获剂，即可实现就地保护。

优选地，所述二氰二胺和碳酸氢盐或碳酸盐粉体的质量比为3～5:1。

进一步优选地，所述碳酸氢盐为碳酸氢钠、碳酸氢钾或碳酸氢钙中一种或多种；所述碳酸盐为碳酸钾。

进一步优选地，所述二氰二胺和碳酸氢盐或碳酸盐粉体的质量比为4:1。

进一步优选地，所述碳酸氢盐为碳酸氢钾。

优选地，所述溶剂为去离子水。

优选地，所述升温为2.5℃/min的升温速率升温至500℃～600℃。

本发明还请求保护上述任一所述制备方法制备得到的自捕获氮化碳薄膜。