二维ZnIn2S4/三维TiO2 Z型异质结增强光电化学阴极保护性能研究

针对海洋环境中金属结构腐蚀防护难题，研究人员通过构建3D TiO2纳米管阵列与2D ZnIn2S4的Z型异质结（T/ZIS），显著提升光电化学阴极保护（PCP）效率。优化后的T/ZIS-5使Q235钢在光照下开路电位（OCPL）达-1.07 V vs. SCE，光电流密度提高6倍，为太阳能驱动海洋防腐提供了高效电极设计新策略。

　　

海洋环境中钢铁结构的腐蚀问题长期困扰着海洋资源开发领域，传统防护方法如涂层和阴极保护存在能耗高、易失效等缺陷。光电化学阴极保护（Photoelectrochemical Cathodic Protection, PCP）技术利用太阳能驱动光阳极产生光电压，为金属提供保护电位，但其核心挑战在于光生载流子的快速复合导致效率低下。针对这一难题，国内研究人员通过创新性地构建三维TiO₂（T）纳米管阵列与二维ZnIn₂S₄（ZIS）纳米花的Z型异质结，实现了Q235钢的高效防护，相关成果发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

研究团队采用阳极氧化结合水热法的关键技术路线：首先通过60 V电压阳极氧化钛箔制备有序TiO₂纳米管阵列，随后调控Zn²⁺/In³⁺摩尔比在TiO₂表面原位生长ZIS纳米花。通过光致发光谱（PL）、电子顺磁共振（EPR）和莫特-肖特基（M-S）测试证实了Z型电荷转移路径的存在。

材料表征显示：T/ZIS-5具有最佳的形貌特征，ZIS纳米片均匀覆盖TiO₂纳米管形成紧密界面，比表面积达89.5 m²/g，紫外-可见光吸收边扩展至620 nm。光电性能测试表明：优化后的T/ZIS-5光电流密度达240 μA/cm²，是纯TiO₂的6倍；耦合Q235钢后，光照开路电位（OCP_L）低至-1.07 V vs. SCE，较Q235自腐蚀电位负移490 mV。机理分析揭示：Z型机制既促进了电荷空间分离（PL强度降低82%），又保留了光生空穴的强氧化能力（EPR检测到·OH信号增强3.2倍）。

该研究突破性地证实了Z型异质结在PCP领域的优势：通过精确调控T/ZIS界面工程，同时实现高效的电荷分离和强氧化还原能力，为开发新一代太阳能驱动防腐材料提供了理论依据。特别值得注意的是，该体系在模拟海水环境中保持稳定保护效果超过24小时，展现出良好的工程应用前景。研究提出的"三维导电骨架+二维光敏材料"设计策略，对开发其他高效光电转换器件也具有重要借鉴意义。