近日，中國科學(xué)院海洋研究所科研團隊在海洋設(shè)施光電陰極保護材料領(lǐng)域取得重要進展。該研究以題為“Long-term photoinduced sustained cathodic protection enabled by a h-WO3/m-WO3/TiO2/ZnIn2S4multi-phase junction layer with enhanced charge separation and electron storage”的論文發(fā)表于工程技術(shù)領(lǐng)域頂級期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=13.2）。致真精密儀器AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡的開爾文探針力顯微鏡（KPFM）技術(shù)，通過證實復(fù)合材料高效的電荷分離，為闡明其陰極保護機理提供了關(guān)鍵證據(jù)。

▲論文所使用儀器：致真精密儀器AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡；(a-c) WO?、WO?/TiO?和WO?/TiO?/ZnIn?S?的AFM形貌圖；(d-f) 暗態(tài)及(g-i) 光照下的KPFM電勢圖

嚴酷的海洋腐蝕嚴重危害海洋設(shè)施的結(jié)構(gòu)可靠性與服役壽命。光誘導(dǎo)陰極保護（PICP）作為一種利用豐富太陽輻射的太陽能驅(qū)動原位防腐策略，前景廣闊，但其實際應(yīng)用仍受限于低電荷轉(zhuǎn)移效率及在黑暗條件下缺乏保護。

本研究通過低溫液相沉積及水熱合成法，合理構(gòu)建了WO?/TiO?/ZnIn?S?多相異質(zhì)結(jié)光陽極材料。在此架構(gòu)中，TiO?納米顆粒作為穩(wěn)健的界面層，增強了ZnIn?S?在WO?納米片上的錨定，并與兩者形成階梯式能帶排列。h-WO?/m-WO?同質(zhì)異相結(jié)提供了高效的電子存儲基礎(chǔ)，而TiO?/ZnIn?S?界面則建立了S型電荷轉(zhuǎn)移路徑。SEM與截面分析證實了該復(fù)合電極成功形成了層次分明的多層結(jié)構(gòu)，各層間接觸緊密。

▲(a) WO?/TiO?/ZnIn?S?光電極合成過程示意圖；(b) WO?、WO?/TiO?、WO?/TiO?/ZnIn?S?和ZnIn?S?的XRD圖譜；(c-e) WO?、WO?/TiO?和WO?/TiO?/ZnIn?S?光電極的SEM圖像；(f) WO?/TiO?/ZnIn?S?截面圖；(g) 不同退火溫度下WO?的XRD圖譜和(h) 光致開路電位曲線。

該WO?/TiO?/ZnIn?S?復(fù)合薄膜在模擬太陽照射下，為316 L SS提供431 mV的OCP負移及39 μA cm?2的光電流密度。尤為突出的是，在無需任何犧牲劑的模擬海水環(huán)境中，該復(fù)合薄膜在2小時光照后，能為316 L SS提供長達18小時的持續(xù)陰極保護。

▲(a) 各光電極與316L不銹鋼耦合體系的混合電位及(b) 光生電流密度變化；(f) 316L不銹鋼與WO?/TiO?/ZnIn?S?耦合體系的長時間OCP測試

通過原位開爾文探針力顯微鏡（KPFM，基于致真精密儀器AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡平臺）測試表明，WO?/TiO?/ZnIn?S?復(fù)合電極在光照下產(chǎn)生最大的表面接觸電位差（CPD）正移（682 mV），證實了其最優(yōu)異的電荷分離效率。這一現(xiàn)象揭示了光生載流子的遷移路徑和分離行為：光生電子更易遷移至FTO基底，而空穴富集于表面，表現(xiàn)出更高的載流子分離效率和去極化活性。結(jié)合能帶結(jié)構(gòu)與理論計算，該優(yōu)異性能源于異質(zhì)結(jié)通過協(xié)同的II型和S型能帶排列促進界面電荷轉(zhuǎn)移，其中S型異質(zhì)結(jié)保留了ZnIn?S?導(dǎo)帶中具有更強還原能力的光生電子，而II型異質(zhì)結(jié)與h-WO?/m-WO?同質(zhì)結(jié)則共同驅(qū)動了電子的定向分離與存儲，從而闡明了其優(yōu)異光生陰極保護性能的內(nèi)在機制。

該研究通過多相異質(zhì)結(jié)工程與能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化，成功解決了傳統(tǒng) PICP 材料黑暗態(tài)防護缺失的關(guān)鍵問題，為海洋防腐蝕材料的設(shè)計提供了新思路。所制備的復(fù)合薄膜兼具高效光吸收、快速電荷分離與長效電子存儲功能，在船舶、海洋平臺等海洋工程設(shè)施的腐蝕防護領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，同時為其他黑暗活性光催化系統(tǒng)的開發(fā)提供了重要參考。

AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡

AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡可對材料、電子器件、生物樣本等進行三維掃描成像，實現(xiàn)亞埃米級形貌表征。具備接觸、輕敲、非接觸等多種工作模式，為用戶提供了更為靈活和精準的操作選擇。此外，它還集成了磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、掃描開爾文顯微鏡、壓電力顯微鏡等多種功能模式，穩(wěn)定性強,可拓展性良好。此外可根據(jù)用戶需求靈活定制功能模塊,為特定研究領(lǐng)域提供針對性解決方案，實現(xiàn)一機多用的高效檢測平臺。

致真精密儀器

致真精密儀器致力于實現(xiàn)高端科學(xué)儀器和集成電路測試設(shè)備的自主可控和國產(chǎn)替代。

致真精密儀器通過工程化與產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)，已成功研發(fā)出一系列應(yīng)用于磁學(xué)、自旋電子學(xué)、納米形貌表征等領(lǐng)域的前沿科研設(shè)備，包括“原子力顯微鏡、高精度VSM、磁光克爾顯微鏡等磁學(xué)測量設(shè)備、各類磁場探針臺、低溫強磁場光學(xué)測量平臺、磁性芯片測試機等產(chǎn)線級設(shè)備”等，如有需要，我們的產(chǎn)品專家可以提供免費的項目申報輔助、產(chǎn)品調(diào)研與報價、采購論證工作，期待與您更深入的交流與合作！