导电聚合物基复合涂层的制备及耐蚀性研究开题报告

1. 研究目的与意义

金属的锈蚀是最常见的腐蚀形态。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转入氧化(离子)状态。这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加零件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩短设备的使用寿命，甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故。金属的腐蚀不仅给国民经济带来了巨大损失，而且造成了严重的环境污染和安全隐患，为了进一步减小腐蚀损失、节约资源，有必要开发新型的金属防腐材料。因此，明确金属的腐蚀机理并制定相应的防腐蚀策略极其重要。在20世纪80年代，mengoli等和de berry发现在硫酸溶液中电沉积聚苯胺膜(pani)能使不锈钢表面钝化而达到防腐蚀效果，从而开启了导电高分子涂层在防腐蚀领域的研究应用[1]。目前，导电聚合物涂层已经成为金属防腐领域重要的研究方向之一。

1839年，英国的威廉爵士发明了第一个燃料电池，虽然接下来的一个多世纪以来都没能得到实际应用，但燃料电池的发明预示着一个新的能源转化体系的确立。质子交换膜燃料电池（pemfc）也叫做聚合物电解质膜燃料电池，是燃料电池一个重要的分支，可以将储存在氢燃料中的化学能直接转化为电能，是一种新型的清洁供电装置，具有比功率高、转化效率高，运行温度低、启动快、产物无污染等诸多优点，因此在世界范围内广受关注。双极板是中最重要的部件之一，约占电池重量的60-80%，生产成本的29-45%[2],起到支撑电池、收集和传导电流、分隔氧化剂和还原剂并引导氧化剂和还原剂在电极内表面流动的作用。但金属双极板在pemfc内部环境中存在着耐蚀性差和接触电阻过大等问题制约着它在pemfc中的应用。为了满足工作环境需要，双极板材料必须具有高导电率、低透气性、高耐腐蚀性、导热性、疏水性/亲水性和热膨胀性、强机械强度和良好的成形伸长率等性质。双极板根据材料不同，可大致分为三类：碳基双极板、金属双极板和复合双极板三种。

石墨双极板由于机械强度差、加工成本高等劣势使其在大规模批量生产中缺乏足够的商业竞争力。与石墨相比，不锈钢成本相对低廉、气密性好且其本身化学稳定性较高[3]，不锈钢（ss）由两类组成，一种是奥氏体不锈钢（aisi ss300），另一种是铁素体不锈钢（aisi ss400）。奥氏体不锈钢具有高机械强度、高化学稳定性、低气体渗透和易加工的特点，适用于大规模加工生产[4]。不锈钢中添加的cr、mo、ni等元素对不锈钢的耐蚀性有很大影响，通过调整不同元素的含量可以获得不同类型的不锈钢以满足对耐蚀性的要求，因而国内外诸多研究机构已将其作为制作双极板的首选材料。然而在电池工作环境中，不锈钢在阳极侧易发生腐蚀溶解、产生的金属离子污染膜电极；在阴极富氧的环境中，不锈钢易钝化，形成的钝化膜增加界面电阻从而降低电池输出功率。在不锈钢双极板表面施加耐蚀、导电涂层是目前行之有效的解决方法。目前，诸多研究人员已将导电率优良、化学稳定性高的金属碳/氮化物应用于金属双极板表面的防护[5,6]。

2. 研究内容和预期目标

本实验通过在不锈钢表面制备pani-pvp/ppy复合涂层来实现对不锈钢双极板的腐蚀防护。通过对不锈钢进行表面处理并优化涂层制备工艺，获得附着力高、结构致密、缺陷少的pani-pvp/ppy复合涂层，通过电化学测试分析pani-pvp/ppy复合涂层保护下的不锈钢在所模拟的pemfc腐蚀环境中的耐蚀性,评价涂层对不锈钢的防腐蚀效果。具体包含以下两个方面的研究内容：

（1）不锈钢表面pani-pvp/ppy复合涂层的制备的研究：恒电流法制备聚苯胺（pani),并向其掺杂质子酸和pvp,获得pani-pvp中间层，在此基础上原位电聚合掺杂态ppy面层，减少涂层微结构缺陷，提高整体的导电性，能更长时间地维持内层氧化态。

（2）pani-pvp/ppy复合涂层形貌与结构研究：依据扫描电镜（sem）、傅里叶红外光谱（ft-ir）、等手段对涂层的结构和形貌进行表征。

3. 研究的方法与步骤

一、不锈钢表面处理：通过不同等级的sic砂纸对不锈钢表面进行打磨去除不锈钢表面钝化层，然后依次使用去离子水、丙酮、乙醇对不锈钢表面进行清洗。

二、pani-pvp/ppy复合涂层的制备：（1）配制含苯胺单体、质子酸及pvp的混合溶液，以处理后的不锈钢为工作电极，铂片电极为对电极,ag/agcl电极为参比电极，以三电极体系采用恒电流法制备pani-pvp中间层；（2）配制含吡咯单体及质子酸的混合溶液，以施加pani-pvp中间层的不锈钢为工作电极，恒电流法制备ppy面层，最终获得pani-pvp/ppy复合涂层体系。

三、涂层形貌与结构的测试：通过扫描电镜（sem）、傅里叶红外光谱（ft-ir）等测试手段表征涂层的形貌和结构特征。

4. 参考文献

[1] 周亚倩, 郝璐, 朱凯明,等. 聚吡咯的合成及其在金属防腐蚀领域的应用. 腐蚀科学与防 护技术, 2018, 30(05): 557-562.

[2]江自然. 质子交换膜燃料电池双极板用不锈钢聚苯胺改性研究[d].中南大学,2013.

[3]沈杰,刘卫,王铁钢,潘太军.304不锈钢双极板表面tin涂层的腐蚀和导电行为研究[j].中国腐蚀与防护学报,2017,37(01):63-68.

5. 计划与进度安排

1、2022.03.01～2022.03.14：查阅文献，了解课题背景，初步设计实验，完成开题报告。

2、2022.03.15～2022.03.31：开展初步实验，电沉积pani-pvp涂层作为复合涂层中间层，探索pani与 pvp配比对pani-pvp涂层的性质的影响。

3、2022.04.01～2022.04.14：制备ppy面层，探索不同比例的质子酸对ppy性质的影响规律；