CdTe/TiO2纳米复合材料光生阴极保护304不锈钢外文翻译资料

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CdTe/TiO₂纳米复合材料光生阴极保护304不锈钢

Xiutong Wang, Qinyi Wei, Liang Zhang, Haofen Sun, Hong Li，Qiaoxia Zhang

摘要：通过阳极氧化法制备TiO₂纳米管，并通过电化学沉积法在其上沉积CdTe。通过改变电解质的酸度实现了CdTe/TiO₂复合材料的最佳性能。 扫描电子显微镜，能量色散谱和X射线衍射等手段研究了复合材料的表 面形貌，元素分析和相结构特征。为了研究CdTe/TiO₂对304不锈钢的光生阴极保护，开展了一些电化学测试，如开路电位，电流随时间的变化。结果表明，在可见光波长下，CdTe/TiO₂复合材料的阴极保护性能优于纯TiO₂。CdTe/TiO₂复合材料在可见光下表现出最佳的光生阴极保护性能，当沉积电解质中HCl浓度为1mol/L时，304不锈钢的腐蚀电位负偏移至-850mV。

关键词：光生阴极保护CdTe/TiO₂腐蚀 不锈钢电化学

1.引言

TiO₂是一种具有良好光电转换和光催化性能的重要光电材料。由于其成本低、无毒、化学性质稳定，因此广泛用于催化剂，太阳能电池和气体传感器[1-4]。Yuan和Tsujikawa提出了光生阴极保护的概念[5,6]，TiO₂用于阴极保护的光生电子引起了人们的极大兴趣[7-11]。当TiO₂暴露在光下时，光的能量大于或等于TiO₂的带隙能量，电子可从TiO₂的价带（VBs）激发并转移到表面的304不锈钢（304SS）通过外部电路。由于注入电子，防止了304SS的腐蚀[12-14]。然而，由于其宽带隙（3.20eV），TiO₂仅吸收波长低于387nm的紫外光。另外，电子-空穴对的寿命很短，并且当TiO₂被光激发时光转换效率低[15,16]。因此，涂层已成为提高TiO₂光电性能的最常用方法之一。许多研究表明，掺杂有金属原子的TiO₂（Cu[17,18]，Co[19]和Fe[20,21]），非金属元素（S[22-24]，N[25,26]和F[27]）和金属半导体（SnO₂[28-30]，WO₃[31,32]和V₂O₅[33]）可显着提高TiO₂在保护304SS时的光电转换性能。由于其适当的带隙（1.5eV），CdTe在可见光范围内具有高吸收系数和光电转换效率[34,35]。这些特性使其成为TiO₂纳米管（NTs）掺杂的理想材料。在本文中，CdTe沉积在TiO₂NTs上，以实现304SS的光生阴极保护。通过阳极氧化制备TiO₂NTs，并且通过电化学沉积在纳米管上制备CdTe。Murase [36,37]认为碲的还原总是伴随着镉原子的沉积，其相关反应如下：

TeO₂ H = HTeO₂

HTeO₂ 3H 4e = Te⁰ 2H₂O

Cd² 2e = Cd⁰

Cd⁰ Te⁰= CdTe

表格1 304不锈钢的化学成分

在此过程中，阴极处Cd² 和HTeO² 被还原。生成的Cd和Te与 TiO₂表面上的CdTe结合[38]。 H 的量在CdTe的形成中起重要作用[39]。对一系列电化学分析进行了研究，以探索电解质中HCl浓度的最佳条件。此外，还研究了CdTe/TiO₂复合材料的电化学性能及其对304SS的光电阴极保护性能。

2.实验方法
2.1.实验药品
304不锈钢和钛箔（99.6％纯度）购自上海宝钢（中国上海）。 在本研究中使用的试剂如硫酸镉（CdSO₄），二氧化碲（TeO₂），乙醇，丙酮和氟化铵（NH₄F）具有分析纯度并购自商业来源。用作电解质的盐酸（HCl）的浓度为36.0-38.0wt％。使用去离子水来制备所有水溶液。
2.2. TiO2纳米管的制备
TiO₂纳米管是通过文献报道的阳极氧化方法制造的[40]。选择Ti箔（15times;10times;5 mm）作为钛基材，通过400目，800目和2000目砂纸逐步抛光，直至看不到划痕，然后在丙酮，乙醇和去离子水中依次超声处理。将清洁后的箔在20V下在含有0.22g NH₄F和4ml去离子水的40ml乙二醇溶液中在室温下阳极氧化，其中Pt作为阴极并且Ti板作为阳极。Ti板在1小时后从溶液中取出，用去离子水清洗，并在450^◦C的管式炉（SX-5-12，天津泰斯特仪器有限公司）中退火2小时加热速率5^◦C/min。

2.3. CdTe / TiO2纳米管的制备
CHI760C工作站（上海辰华仪器有限公司）用于CdTe电沉积，以TiO₂NTs为沉积表面，饱和甘汞为参比电极， Pt箔为辅助电极，组成三电极系统。随后，将0.39g TeO₂，4.16g CdSO₄和10mlHCl小心地添加到作为电解质的200ml去离子水中。在0.5-1.1V的电势范围和30mV/s的扫描速率下进行循环伏安法（25次循环）以沉积CdTe。将制备的材料放入管式炉中，在300℃以5^◦C/min的速度加热1小时，并以2^◦C/min的速率冷却至室温。然后制造CdTe/TiO₂复合电极并标记为CdTe/TiO₂（A）。在相同的条件下，当电解质中HCl的量分别增加到20ml和30ml时，制备CdTe/TiO₂（B）和CdTe/TiO₂（C）。在电化学测试之前，将用作电极的304SS（10times;10times;2mm）用2000砂砾湿法SiC纸研磨并在乙醇中超声清洁5分钟。自然干燥后，制备304SS电极。
2.4. 表面形貌和成分分析
用扫描电子显微镜（SEM，Japan Hitachi S-4800 FE-SEM）观察TiO₂NTs和CdTe/TiO₂复合材料的表面形貌。用能量色散谱仪（EDS，日本日立S-3400N扫描电子显微镜）分析CdTe /TiO₂复合材料的元素和含量。样品的紫外-可见吸收光谱通过紫外-可见漫散射磁阻分光光度计（UV-vis DRS，日本日立UH4150）获得。通过X射线衍射仪（XRD，德国Bruker AXSD8）研究材料的晶体结构。
2.5. 电化学分析
电化学分析采用电解池和光解池的耦合系统进行，如图1所示。电解池含有3.5wt％NaCl溶液作为电解质，而光解池使用0.1mol/LNa₂S溶液作为电解质，使用盐桥（U型玻璃管中包含的琼脂中的1M KCl）将两个细胞连接在一起。在电解槽中，使用三电极体系，铂箔作为反电极（CE），饱和甘汞电极作为参考电极（RE）， 304SS作为工作电极（WE）。在光解池中，Na₂S溶液起到了助剂的作用，促进了电子和空穴的分离[41,42]。CdTe/TiO₂复合材料被放置在电池中并通过导线连接到工作电极。使用高压氙灯（PLS-SXE 300 C，中国北京Perfectlight公司）作为光源，在波长高于400nm的可见光范围内照射。在光照之前和期间，通过Solartron1287 1260电化学工作站（Solartron Metrology，UK）分析开路电位（OCP），电流曲线，阻抗谱和极化曲线的变化。当OCP保持稳定的价态时，获得了光阴极。 当电位范围从-0.25V到0.25V与扫描速率为0.166 mV/s的开路电位相比时，获得了动电位极化曲线。阻抗测试的测量频率范围为10mHz-10⁵Hz，交流电压幅度为10mV。

图1.电化学分析实验装置的示意图

3. 结果与讨论
3.1. TiO₂和CdTe/TiO₂（B）的表面形貌和组成分析
3.1.1. SEM形貌学和EDS分析
图2（a）显示了通过阳极氧化制备的TiO₂薄膜的SEM图像。可以看出，薄膜由直径约60-70nm的均匀纳米管阵列组成。图2（b）展示了CdTe沉积后TiO₂的SEM图像。通过电化学沉积制备的CdTe主要分布在TiO₂NTs的内壁和喷嘴上，而不阻塞或损坏纳米管。此外，由于CdTe与纳米管的充分连接，CdTe对TiO₂纳米管的表面形貌没有影响。图2（c）中
CdTe / TiO₂（B）的相应EDS谱显示制备的薄膜主要由Ti，O，Cl，Cd和Te组成。Te的原子百分比大于Cd的原子百分比。

图.2. (a)纯TiO₂的SEM图 (b) CdTe/TiO₂(B)的SEM图 (c) CdTe/TiO₂(B)能量色散谱

3.1.2. XRD分析
纯TiO₂和CdTe/TiO₂（B）的XRD图谱如图3所示。对应于（101），（004）和（2l3）晶格的峰属于锐钛矿阶段（JCPDS 21-1272）。复合材料CdTe相由（2 2 0）和（3 1 1）的峰表示。

图3. TiO₂和CdTe/TiO₂纳米管阵列的XRD图谱

3.2. CdTe / TiO2复合材料的光生阴极保护性能
3.2.1. OCP分析
图4显示了不同材料的开路电位曲线。曲线说明了在有或无可见光照射的情况下，在3.5wt.％NaCl溶液中304SS与TiO₂结合的电势的变化。如曲线a所示，当灯亮时304SS电极从腐蚀电位下降到300mV（vs.SCE）。然而，随着灯关闭，电势迅速回到初始电位。剩下的三条曲线表示在不同可见光照射条件下，在3.5wt％NaCl溶液中，在不同酸度的电解质中加入304SS的CdTe / TiO2复合材料的电位变化。CdTe/TiO₂复合材料在光照下的光生阴极保护效应明显优于黑暗。由于图4中的曲线c显示出良好的阴极保护性能，表明在CdTe/TiO₂沉积期间在电解质中添加HCl对电势具有明显影响。304SS的开路电位负向移动650mV，并在照明下降至850mV。这种下降不会导致氢脆。当灯熄灭时，电位迅速上升至约450mV，然后缓慢去极化至约400mV，这比304SS的腐蚀电位更负，这表明304SS受到保护。当光再次开启时， 304SS与CdTe/TiO2（B）结合的电位立即达到850mV，表明该复合材料在可见光下具有良好的稳定性。因此，由于CdTe的存在，TiO₂的光电性能得到改善。曲线b表示当向电解质中加入10ml HCl时，不锈钢的开路电位在辐照下负向移动至约720mV。与以前的情况相比，尽管阴极极化降低，但仍保持良好的不锈钢保护性能。开路电位显示曲线d仅下降300mV，这意味着光电效率的下降，但304SS上的阴极保护仍然有效。 结果，光生CdTe/ TiO₂复合材料的阴极保护效果明显很大，在黑暗条件下表现出持续保护。不同酸度的沉积电解质制备的复合材料的光电性能表现出明显的差异。

图4. TiO₂和CdTe/TiO₂纳米管阵列的开路电位

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