刘月（上海电力大学）

序

当我们沉浸在博物馆丰富的展品中时，忍不住想拿出手机与之留念，此时博物馆的工作人员会跟我们说，请不要打开闪光灯！那么，为什么博物馆的国宝们都会害怕小小的闪光灯呢？其实，手机的闪光灯虽小，却有大大的能量呢！当光照到任何材料的国宝上面，包括木器、漆器、书画等，都会加速这些物质的表面反应，久而久之就会对国宝们造成不可逆的损害。在这其中也包括一些金属，如青铜器、铁器、银器等。

那么这些冰冷的金属块是怎么被光照 “坏”的呢？我们都知道，金属在环境中会与周围的介质，包括水、空气中的氧等发生反应，变成离子态或氧化态，也就是金属的腐蚀过程。金属的腐蚀过程缓慢并持续的发生着，但是当光被引入到这一体系中后，金属的腐蚀过程就被改变了。光通过激发空气中的氧、液体中的水分子、金属的氧化物而发生一系列的化学反应，加速了金属的腐蚀过程。

被腐蚀的青铜器照片

（图片来自网络）

光可以用来保护金属吗？

这样说来，在我们日常生产生活中，光照是会加速金属的腐蚀。而我们却想“变废为宝”--用光来保护金属。

接下来跟大家介绍的这种技术，光生阴极保护技术（以下简称“光阴保”）就是利用光来抑制腐蚀，保护金属的一种技术。

光是如何抑制腐蚀的呢？此时我们就要引入一个重要概念，就是光催化剂。

在我们接触化学后，我们就知道了催化剂的概念，催化剂是一类可以改变化学反应速率的化学物质，其本身并不参与反应。也就是说在化学反应前后，催化剂本身并不会发生变化。那么以此类推，光催化剂就是在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质。这类物质主要指的是半导体材料。半导体材料的导带和禁带并不连续，在光子的激发下，可以产生自由电子和光生空穴，这两种物质非常活跃且极不稳定，就会与其他物质发生反应，产生催化效果。

让我们回到光阴保技术，光阴保技术就是借助某种光催化剂，让光照在光催化剂的表面，然后将产生的电子和能量传递给金属，用来保护金属不被腐蚀的一种技术。

光催化剂作用机理图

图片来自文献[1]

光阴保的基本原理是怎样的？

光阴保技术需要将光催化剂涂覆在被保护金属表面或作为阳极通过导线与被保护金属相连，这样在光照下，光催化剂价带中的电子吸收光子能量被激发跃迁到导带，产生光生电子和光生空穴，在半导体薄膜与溶液界面处的空间电荷电场的作用下，光生空穴被迁移到半导体粒子表面与溶液中的电子供体发生氧化反应，通过溶液中的物质将光生空穴消耗，电子则向被保护金属迁移，致被保护金属表面电子密度增加，腐蚀电位负移，从而达到到阴极保护的目的。

光阴保的基本原理（以二氧化钛作为光催化剂）

图片来自文献[2]

光阴保有什么优点？

首先我们要知道，金属的腐蚀主要通过两个方面来抑制，其一是从动力学的角度，我们可以采取一系列措施，减缓腐蚀决速步骤的速度，从而抑制腐蚀的发生。从动力学方面抑制腐蚀的方法主要有缓蚀剂保护法和涂层保护法。其二是从热力学的角度。因为金属的腐蚀是一个热力学能量散失的过程，我们通过热力学的原理，外加给金属一些能量，去除金属腐蚀的推动力，这样腐蚀就可以被完全的阻止。从热力学方面阻止腐蚀的方法主要有阴极保护法和阳极保护法。

而我们要了解的光阴保就是阴极保护法的一种。阴极保护法还有牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。下面，我们主要了解一下这三者的区别。

牺牲阳极的阴极保护法是将还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属之间构成原电池结构，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而被消耗，被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。顾名思义，牺牲阳极的阴极保护法就是“牺牲”了一种还原性较强的金属，让它去“代替”被保护金属发生腐蚀。这种腐蚀防护方法，可以有效抑制被保护金属的腐蚀，但是阳极会被消耗。所以需要定期更换阳极材料，才能保证阴极不被腐蚀。

外加电流的阴极保护法是将被保护金属与直流电源的负极相连，直接用外加直流电源提供电子和能量。这种方法能够产生很大的有效电位差和输出电流量，而且可以自行调节。但是需要有外加直流电源设备持续供电，可以说是比较消耗能源的一种防腐蚀方法。

而我们的光阴保技术呢，就是利用光催化剂这个媒介，将光能转化为电子和能量，作用于金属基体，从而达到抑制金属腐蚀的效果。由于光阴保用的是太阳光，且光催化剂在使用过程中并不会被消耗，所以这种技术是一种不消耗资源的、不浪费能源的、绿色的、可持续的金属腐蚀防护措施。

光阴保的研究现状是怎样的？

尽管光催化技术已经应用于我们生活的方方面面，小到护肤品、衣物、杀菌，大到能源、水处理，但是作为光生阴极保护的实际应用还很少。

在研究方面，光生阴极保护已然成为国内外学者的研究热点。纵观近年来该领域的研究进展可以发现，光阴保技术的核心还是在于半导体材料性能的提升。现阶段已形成了以二氧化钛光催化剂及其改性为主，其他N型半导体材料为辅的研究格局。

虽然光阴保技术的理论研究日渐成熟，但是距离光阴保技术正式成为日常生产生活中金属腐蚀的防护措施仍有一段距离。作为一名光阴保的研究工作者，我希望通过我们的工作，能为光阴保技术的实际应用贡献自己的力量。

 

 

文中引用的参考文献

[1] Zhang L, Jin Z, Lu H, Lin T, Ruan S, Zhao X S, Zeng Y-J. Improving the Visible-Light Photocatalytic Activity of Graphitic Carbon Nitride by Carbon Black Doping[J]. ACS Omega, 2018, 3(11): 15009-15017.

[2] 李红. TiO₂纳米管表面改性及其复合膜对金属光生阴极保护性能的研究[D].山东: 中国科学院研究生院(海洋研究所), 2015.