半导体材料/金属偶合体系的腐蚀机理研究

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半导体材料在金属腐蚀与防护领域广泛存在,一方面通过加入半导体填料以提高涂层的防腐性能;另一方面金属表面的腐蚀产物大多具有半导体性质。而半导体与金属的电子结构特性差异会使半导体/金属相界面的电子传输特性发生改变,从而影响到金属的腐蚀行为。因此,本论文选取了两种半导体材料/金属偶合体系,研究半导体材料对金属腐蚀行为的影响规律,并从腐蚀过程的电子传递路径出发,结合半导体材料的性质,深入分析了半导体材料/金属偶合体系的腐蚀机理,为半导体“腐蚀促进活性”判据的建立提供理论支撑。主要研究结论如下:(1)TiO2半导体/Cu体系:制备三种TiO2半导体填料及相应的复合涂层,考察了不同晶体结构TiO2对铜基腐蚀的影响规律。结果表明:铜的功函数(4.66 eV)低于两种锐钛矿型TiO2的功函数(5.13 eV、5.20 eV),高于金红石型TiO2的功函数(4.54 eV)。三种TiO2均为n型半导体,且电导率和氧还原反应活性由高至低依次为暴露(001)晶面的锐钛矿型TiO2、锐钛矿型TiO2、金红石型TiO2。在铜基复合涂层体系中,锐钛矿型TiO2,特别是暴露(001)晶面的锐钛矿型TiO2对铜表现出较强的“腐蚀促进活性”,而金红石型TiO2则未明显表现出该特性。(2)铁的氧化物半导体/Fe体系:选取五种铁的半导体腐蚀产物,并制成Fe/腐蚀产物复合电极,考察了半导体腐蚀产物对铁腐蚀的影响规律。结果表明:腐蚀产物的功函数由高至低依次为β-FeOOH(5.07 eV)、Fe2O3(5.06 eV)、Fe3O4(4.99 eV)、γ-FeOOH(4.90 eV)、α-FeOOH(4.89 eV),均高于铁的功函数(4.62 eV)。腐蚀产物均为n型半导体,电导率由高到低依次为Fe3O4、β-FeOOH、Fe2O3、γ-FeOOH、α-FeOOH;其氧还原反应活性由高至低依次为β-FeOOH、Fe2O3、Fe3O4、γ-FeOOH、α-FeOOH。在Fe/半导体腐蚀产物复合电极体系中,除α-FeOOH之外,腐蚀产物均对铁表现出“腐蚀促进活性”,且按β-FeOOH、Fe2O3、Fe3O4、γ-FeOOH的顺序依次减弱。(3)在半导体/金属偶合体系中,半导体材料功函数和类型决定金属/半导体相界面的电子转移方向,从而决定半导体材料对金属是否具有“腐蚀促进活性”。当半导体材料为n型半导体且其功函数高于金属功函数,则金属/半导体相界面形成欧姆接触,电子倾向于从金属向半导体转移,促进腐蚀阳极反应,从而表现出“腐蚀促进活性”;反之,不能表现出“腐蚀促进活性”。半导体材料的电导率和氧还原反应活性主要影响了半导体/溶液相界面电子的消耗速率,从而影响腐蚀阴极反应和“腐蚀促进活性”的强弱。
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