氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜及其制备方法和应用，属于海洋工程金属材料的缓蚀技术领域，制备方法包括：步骤一，对铁质基体进行预处理；步骤二，将预处理后铁质基体放入含有NH4F溶液和乙二醇溶液的混合溶液中进行阳极氧化反应，制备Fe2O3；步骤三，将CuInS2纳米晶溶于正己烷、硫脲和乙醇的混合溶液中，配制成CuInS2静电喷雾前驱液；步骤四，采用静电喷雾法，在Fe2O3上雾化CuInS2静电喷雾前驱液，得到光阳极材料；步骤五，将光阳极材料进行焙烧处理，得到Fe2O3‑

【技术实现步骤摘要】
氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于海洋工程混凝土结构金属材料的缓蚀
，具体涉及一种氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]作为海洋大国，我国拥有漫长的海岸线，包括大陆及海岛海岸线共长达32000多km。我国已建或在建很多跨海钢筋混凝土桥梁，包括港珠澳大桥（49.968km，在役）、杭州湾大桥（36km，在役）和胶州湾大桥（36.48km，在役）。海上桥梁位于海陆交融的严酷环境中，水下情况复杂、自然气候条件恶劣。当氯离子通过混凝土保护层侵蚀到内部，且氯离子浓度达到其阈值时，会引发钢筋锈蚀，从而造成了跨海桥梁因耐久性不足而失效的问题屡见不鲜。
[0003]阴极保护是海工混凝土钢筋锈蚀防护技术中最经济有效的措施之一。传统的阴极保护分为牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。前者因消耗活泼金属（如锌、镁等），造成环境污染和能源浪费；后者因维护管理成本高，受到很大的限制。新型光电阴极保护技术是仅利用太阳能来实现金属的阴极保护，是一项符合绿色可持续发展的新技术。然而，该技术中所采用的单一光阳极的光利用效率较低，光生电荷复合率较高，限制了其应用。通过异质结的构筑，可以显著提高光生电子空穴的分离效率和对太阳光的利用率。但是，目前采用的异质结多为Ⅱ型异质结，该异质结虽然提高了光生电子和空穴的分离效率，但是它是以牺牲半导体材料的氧化还原性作为代价的，使得光生电子的还原性降低，难以转移到待保护钢筋上；同时，光生空穴的氧化性降低，从而无法形成电子回路，导致不能对海洋建筑工程混凝土结构钢筋提供阴极保护或者保护效果不理想。
[0004]因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜及其制备方法和应用，以解决目前的用于光电阴极保护的光阳极材料金属的防腐效果差的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，制备方法包括以下步骤：步骤一，对铁质基体进行预处理，得到预处理后铁质基体；步骤二，将预处理后铁质基体放入含有NH4F溶液和乙二醇溶液的混合溶液中进行阳极氧化反应，制备得到Fe2O3；步骤三，制备CuInS2纳米晶，将CuInS2纳米晶溶于正己烷、硫脲和乙醇的混合溶液中，配制成CuInS2静电喷雾前驱液；步骤四，采用静电喷雾法，在含有Fe2O3的铁质基体上雾化CuInS2静电喷雾前驱液，得到光阳极材料；步骤五，将光阳极材料进行焙烧处理，得到Fe2O3‑
CuInS2复合光阳极膜。
[0007]在如上的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，优选，步骤一中，预处理
具体为：将铁质基体用砂纸打磨后，依次用乙醇和水分别超声处理5
‑
30min，然后将铁质基体置于酸性溶液中，在20
‑
80℃下浸泡5
‑
50min，清洗干燥后得到预处理后铁质基体；铁质基体为钢筋；酸性溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液、氢氟酸溶液和柠檬酸溶液中的一种或几种混合。
[0008]在如上的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，优选，步骤二中，NH4F溶液的浓度为0.05
‑
2mol/L；乙二醇溶液为乙二醇的水溶液，乙二醇溶液的浓度为0.05
‑
1mol/L。
[0009]在如上的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，优选，阳极氧化反应的具体为：以预处理后铁质基体为阳极，惰性导电电极为阴极，阳极氧化的电压20
‑
60V，温度20
‑
80℃下，恒压反应时间1
‑
10h；惰性导电电极为玻碳电极、铂电极或石墨电极。
[0010]在如上的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，优选，步骤三中，制备CuInS2纳米晶具体为，将铜源、铟源和硫源放入有机溶剂中搅拌均匀，配置成溶液，在惰性气体保护下，升温至200
‑
240℃，反应1
‑
10h，然后降温至室温，通过有机清洗液清洗后得到CuInS2纳米晶；铜源为含铜的无机盐或有机盐；铟源为含铟的无机盐或有机盐；硫源为含硫有机物；有机溶剂为油酸和十八烯胺中的一种或两种混合；有机清洗液为乙醇、丙酮、甲苯和正己烷中的一种或几种混合。
[0011]在如上的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，优选，铜源和铟源的浓度分别为1
‑
100mmol/L；硫源的浓度为2
‑
500mmol/L；铜源的浓度、铟源的浓度和硫源的浓度满足以下关系式：C
铜源浓度
=C
铟源浓度
≤0.5C
硫源浓度
。
[0012]在如上的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，优选，CuInS2静电喷雾前驱液的浓度为0.05
‑
0.5mol/L；步骤四中，静电喷雾法的具体步骤为：将步骤二得到的铁质基体为负极，装有CuInS2静电喷雾前驱液的注射器针头作为正极，在电压15
‑
40V作用下，控制泵出速度1
‑
5mL/h和喷雾时间1
‑
10h，得到光阳极材料。
[0013]在如上的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，优选，步骤五中，焙烧处理过程中控制焙烧温度为250
‑
600℃，焙烧时间为1
‑
12h；焙烧处理过程中的升温速率为1
‑
20℃/min。
[0014]一种氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜，复合光阳极膜采用如上的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法制备得到。
[0015]一种如上的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的应用，复合光阳极膜用于海工混凝土结构钢筋光电保护光阳极覆膜。
[0016]有益效果：本专利技术采用静电喷雾法制备的Z型异质结Fe2O3‑
CuInS2复合光阳极膜，具有良好的晶体结构，且界面接触良好。光照下使钢筋腐蚀电位负移约0.3V。ESR进一步说明该复合膜
为Z型异质结结构，有效提高了光生电子
‑
空穴对的分离效率。该光阳极膜是一种新型Z型异质结结构，可实现海洋工程结构的高效光电阴极保护，提升海洋工程构筑物的耐久性。
附图说明
[0017]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。其中：图1为本专利技术实施例1
‑
4中制备的CuInS2纳米晶的XRD图谱；图2为本专利技术实施例1
‑
4中制备的Fe2O3‑
CuInS2复合光阳极膜的微观形貌图，a、b、c、d分别为实施例一、二、三和四制备得到的Fe2O3‑
CuInS2复合光阳极膜；图3为间歇光照下，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：步骤一，对铁质基体进行预处理，得到预处理后铁质基体；步骤二，将所述预处理后铁质基体放入含有NH4F溶液和乙二醇溶液的混合溶液中进行阳极氧化反应，制备得到Fe2O3；步骤三，制备CuInS2纳米晶，将所述CuInS2纳米晶溶于正己烷、硫脲和乙醇的混合溶液中，配制成CuInS2静电喷雾前驱液；步骤四，采用静电喷雾法，在含有Fe2O3的铁质基体上雾化所述CuInS2静电喷雾前驱液，得到光阳极材料；步骤五，将所述光阳极材料进行焙烧处理，得到Fe2O3‑
CuInS2复合光阳极膜。2.如权利要求1所述的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述预处理具体为：将铁质基体用砂纸打磨后，依次用乙醇和水分别超声处理5
‑
30min，然后将铁质基体置于酸性溶液中，在20
‑
80℃下浸泡5
‑
50min，清洗干燥后得到预处理后铁质基体；所述铁质基体为钢筋；所述酸性溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液、氢氟酸溶液和柠檬酸溶液中的一种或几种混合。3.如权利要求1所述的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述NH4F溶液的浓度为0.05
‑
2mol/L；所述乙二醇溶液为乙二醇的水溶液，所述乙二醇溶液的浓度为0.05
‑
1mol/L。4.如权利要求3所述的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，其特征在于，所述阳极氧化反应的具体为：以所述预处理后铁质基体为阳极，惰性导电电极为阴极，阳极氧化的电压20
‑
60V，温度20
‑
80℃下，恒压反应时间1
‑
10h；所述惰性导电电极为玻碳电极、铂电极或石墨电极。5.如权利要求1所述的氧化铁基Z型异质结复合光阳极膜的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述制备CuInS2纳米晶具体为，将铜源、铟源和硫源放入有机溶剂中搅拌均匀，配置成溶液，在惰性气体保护下，升温...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯文萱，张小影，于偲怡，王亚伟，贾小玥，刘佳豪，苏祥宇，厉程昊，刘亚坤，郭轩铭，梁瀚文，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：