Electrochemical response and mechanism of steel rebar passivation in simulated concrete pore solutions with different pH values
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摘要:
本研究旨在探讨普通低碳钢在不同pH值的混凝土孔隙溶液中的钝化行为及其机制。通过开路电位、线性极化电阻、电化学阻抗谱以及ToF-SIMS分析，深入探究了pH值对低碳钢钝化行为的影响。结果表明，在pH值较低的CH溶液中，极化电阻(Rp)缓慢增加最终稳定在120 kΩ·cm²，腐蚀电流密度(Icorr)保持在较高水平0.15 μA/cm²。表明CH溶液对低碳钢钝化效果不明显；而在pH值较高的ST溶液中，电容电抗弧一天内发生明显变化，表明其在一天内即发生钝化。且无论混凝土模拟液的pH值如何，低碳钢均能自发形成钝化膜，其表面钝化膜都经历了从快速初始生长到后期逐渐稳定的过程。pH值是促进低碳钢钝化的关键因素且与钝化膜性能存在正相关性，CH溶液中，钝化膜厚度从最初的1.930 nm上升至3.733 nm。而在ST溶液中一天内从4.786 nm增至9.187 nm，说明随着模拟液pH值的升高，钝化膜厚度为增加的趋势，形成更加稳定的钝化膜，从而使其钝化性能得到增强。
Abstract:This study aims to investigate the passivation behavior and mechanisms of low carbon steel in concrete pore solutions with different pH values. Through open circuit potential, linear polarization resistance, electrochemical impedance spectroscopy and ToF-SIMS analysis, the effect of pH on the passivation behavior of low carbon steel was examined in detail. The results demonstrate that mild steel can spontaneously form a passivation film in concrete pore solutions of any pH value, with the film on its surface undergoing a transition from rapid initial growth to a more gradual stabilization over time. pH is a crucial factor in promoting the passivation of mild steel and shows a positive correlation with the performance of the passivation film. As the pH of the simulated solution increases, there is a tendency for the thickness of the passivation film to increase, resulting in the formation of a more stable passivation layer, thereby enhancing its passivation properties.
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Keywords:
- low carbon steel /
- passivation /
- pH values /
- electrochemical /
- concrete
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四环素广泛应用在医疗救治、农业生产、畜牧业管理以及水产养殖等多个关键领域[1-4]。然而，四环素所拥有的高稳定化学性质，使其在生物体内吸收和代谢效率低下，造成大量抗生素残留物质在自然环境中积聚，传统的处理技术往往难以达到优异的去除效果。光催化技术降解有机污染物技术因其能够实现高效转化、绿色环保、运行稳定等一系列优越特性，受到了科研界的广泛关注与推崇，被认为是未来解决环境污染问题最具潜力的技术路径之一[5-7]。
晶态红磷(cRP)作为一种廉价、易得且低毒的半导体材料，其结构特性赋予了它良好的光催化性能和可见光响应在光催化领域展现出了独特的优势[6, 8-10]。在光的照射下，当光子的能量大于禁带间隙时，红磷价带上的光生电子实现跃迁，到导带上产生光生空穴，实现电荷分离。随后，红磷表面的光生电子被捕获并生成具有超强还原性的•O−2。尽管红磷具有实际应用的潜力，但其催化活性受限于导电性差、光生电子空穴复合较快、活性位点少等不足。通过改进制备方法、优化光催化剂的结构以及与其他材料进行复合等方式，有望进一步提升红磷的光催化性能。如Liu等[11]通过超声剥离将晶态红磷从块体转化成了纤维状结构，提高了红磷的接触面积。Shen等[12]通过在制备时加入Si片的方法控制合成不同类型的晶态红磷，优化了晶态红磷的结构。
构建异质结是将光催化剂与相匹配的其他材料结合，是优化光催化性能的一种常用且有效的方法[13-14]。通过此方法可以得到具有更多活性位点和自由基产生的光催化剂[15]，可以提高红磷光催化剂的氧化能力和还原能力，使其能够更有效地降解污染物。在构建异质结时，需要选择与红磷带隙结构相匹配的材料，以确保两者之间能够形成紧密的结合，并实现有效的电子传输和分离。
金属有机骨架(Metal-organic frameworks，MOFs)作为一种新兴的微介孔杂化材料，以其独特且丰富的结构特征，在光催化领域成为了研究热点。在MOFs材料中MIL[15-17]系列、IRMOF[18-21]系列、ZIF[18-21]系列、UiO[22-28]系列和PCN系列等，都以其独特的结构和性能在各个领域发挥着重要作用。在MOFs中，铁基MOFs (MIL家族)以其孔隙率大、比表面积大、成本效益高和环境友好等特性，在光催化领域引起了广泛关注。然而， MOFs材料在水热条件下的稳定性较差，这在一定程度上限制了其在光催化领域的应用。如2020年，Lei等[15]采用简单的低温溶剂热法制备了MIL-101(Fe)与非金属红磷的Z型异质结复合材料，表现出了不错的光催化性能。
本文结合晶态红磷纳米带(cRP NRs)和MIL-101-NH2两者的优点，通过构造异质结的方法将其进行复合，来提高光催化性能以及材料稳定性，以进一步实现对有机污染物的高效降解。首先制备出晶态红磷纳米带，随后再以2-氨基对苯二甲酸为配体制备MIL-101-NH2铁基MOF材料。然后将cRP NRs与MIL-101-NH2通过溶剂热法制备出复合材料。为了确定该复合材料的成功合成，本文通过SEM、TEM和XRD等表征来对复合材料进行了验证，并对其形貌结构进行了深入分析。然后在光催化降解四环素中的实验中确定了复合材料的最佳比例和其优秀的降解效果。此外，本文还通过XPS表征分析电子在复合材料中的转移情况，通过固体紫外吸收光谱和Mott-Schottky曲线得到复合材料的禁带宽度和价带导带信息，确定了复合材料形成的异质结类型。通过上述工作，可以充分地证明cRP NRs/MIL-101-NH2这种新型复合材料在光催化降解中优秀的性能和出色的稳定性，并为之后制备催化效果能加优异的复合材料提供了更多的选择。
1. 实验部分
1.1 原材料
商业红磷(Red phosphorus，RP)、I2 (Iodine)、FeCl3·6 H2O、2-氨基对苯二甲酸(2-aminoterephthalic acid)、硝酸银(Silver nitrate，AgNO3)、氢氟酸(Hydrofluoric acid，HF)、甲基橙(Methyl orange，MO)和四环素(Tetracycline，TC)均从上海阿拉丁生化科技股份有限公司采购。所使用的商业硅片来自浙江立晶，为p-Si (100)型。
1.2 表征仪器
采用美国赛默飞FEI Inspect F50扫描电子显微镜进行形貌测试。该仪器配备了EDAX超辛烷值检测器，在测试过程中，设置了扫描范围为500 nm至10 μm。采用了美国赛默飞FEI Talos F200S透射电镜仪器进行分析。在测试过程中，设定了扫描范围为5 nm至1 μm。选取需要测试的样品，随后将其加入无水乙醇中，利用超声波将溶液中的样品充分分散。分散完成后，将溶液中的样品转移到超薄铜网上。经过调校后，对样品进行形貌记录。包括样品的晶格排列、界面形态以及元素分布等关键信息。
X’Pert PRO衍射仪采用了日本Rigaku Ultima IV。使用Cu 靶，Kα辐射波长为λ=0.15406 nm，以40 kV作为工作电压和30 mA的电流作为工作电流，让衍射仪在5°~50°的扫描角范围内，以1°/min的扫描速度去对样品进行扫描。
使用UV-3600 (Shimadzu，日本)测试样品的吸光度，测试范围为200~800 nm，先在样品槽中加入适量的硫酸钡粉末作为背景测试基线后，再将待测样品制成薄片或溶解后进行吸光度测试。并通过下式得到Tauc's图，通过绘制曲线斜率最大处切线与x轴相交所得的横坐标可以得到各个材料的禁带宽度。
(αhv)1n=K(hv−Eg) (1) 其中：α为吸光度；v为频率；h为普朗克常数6.63×10−34 J·s；K为常数；Eg为禁带宽度。因为红磷为直接带隙的半导体，所以n=1/2。
本次实验中使用的X射线光电子能谱检测仪是美国赛默飞的K-ALPHA仪器，测量的表层深度为10 nm。最终的数据都经过C1s 峰值的284.8 eV来进行校准。
采用上海辰华CHI 660E电化学工作站，对样品进行光电性能表征。选用了0.5 mol/L的Na2SO4溶液作为电解液，以铂网作为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极，对样品进行瞬态光电流测试和Mott-Schottky曲线测试。
1.3 cRP NRs的制备
首先在石英管中加入600 mg商用红磷和40 mg的I2，将经过刻蚀干燥后的硅晶片放置于石英管中并开始抽取真空，在压力表显示达到−0.03 MPa的真空压力后，封装石英管。
随后，将封装完毕的石英管放入马弗炉(MF-1200C-M，安徽贝意克设备技术有限公司)中，设定升温速率控制在5℃/min，从室温逐渐升温至560℃，并在此温度下稳定保持20 h，以确保红磷与硅晶片之间的充分反应。之后，再次以5℃/min的降温速率控制冷却过程，直至炉温降至室温。
待石英管冷却后将其敲碎，从硅片将红磷刮取收集。接着，将刮下的cRP放入研钵中，进行30 min的充分研磨。随后，利用乙醇对研磨后的红磷进行彻底洗涤，以去除杂质。经过真空泵的抽滤后，将红磷放置在电鼓风干燥箱(DHG-9070A，上海一恒科学仪器有限公司)中，设置温度为40℃，干燥2 h，以去除残余的乙醇并确保红磷的干燥状态。
接着称取300 mg的cRP，并将其均匀分散在150 mL的无水乙醇中，以确保红磷颗粒在溶剂中的充分分散。随后，使用了超声波细胞粉碎机(Scientz-1500F，中国宁波新芝生物科技有限公司)，并设置了特定的操作参数：功率为40%，脉冲周期为6 s开启，8 s关闭。超声处理完成后，首先将悬浊液转移至离心管中，并以
3000 r/min的转速离心10 min。这一步骤的目的是初步分离出较大颗粒的固体物质，留下含有纤维状红磷的液相。接着，将液相进行第二次离心，转速提高至11000 r/min，再次离心10 min，以进一步去除残留的清液和细小颗粒。最后，将材料放入冷冻干燥机(SCIENTZ-10N，中国宁波新芝生物科技有限公司)中，以40℃的温度干燥24 h，以此得到cRP NRs。1.4 MIL-101-NH2的制备
采用溶剂热法制备了MIL-101-NH2。首先将FeCl3·6H2O (10 mmoL)和2-氨基对苯二甲酸(12.5 mmoL)同时溶解于50 mL DMF中。随后，将上述两种溶液在磁力搅拌下混合均匀，并转移到100 mL特氟龙内衬高压釜(KH100，西安常仪仪器设备有限公司)中。在110℃反应20 h。反应结束后，
11000 r/min离心5 min收集所得颗粒，再用DMF和乙醇洗涤3次，放入真空干燥箱在70℃下真空干燥12 h，得到目标MIL-101-NH2。1.5 复合材料的制备
采用溶剂热法制备了cRP NRs/MIL-101-NH2。分别称取50 mg的cRP NRs和为cRP NRs质量50%、75% 、100% 和125%的MIL-101-NH2放入4个反应釜中(4个反应釜中cRP NRs和MIL-101-NH2的质量比例为2∶1、4∶3、1∶1和4∶5)，并加入50 mL 无水乙醇。随后将上述两种材料在磁力搅拌下混合均匀，在110℃反应20 h。反应结束后，
11000 r/min离心5 min收集所得颗粒，再用乙醇洗涤3次，放入真空干燥箱在60℃下真空干燥12 h，得到4种比例复合的cRP NRs/MIL-101-NH2。1.6 光催化实验
本文选取四环素(TC)作为研究对象进行了光催化降解实验。在反应管中加入了10 mg的催化剂，随后加入了50 mL的TC (50 mg/L)水溶液。在开始光催化反应之前，首先设置了30 min的暗反应阶段，以便让催化剂与污染物之间建立起稳定的吸附平衡。暗反应阶段结束后，打开500 W氙灯照射120 min。在整个实验期间每隔15 min便采集4 mL的样品，并通过离心分离得到上清液。最后，利用紫外-可见光分光光度计(UV-1800PC，上海美普达仪器有限公司)在357 nm处测定上清液的吸光度。通过测量该波长的吸光度，能够准确地计算出TC在水溶液中的降解情况。
为了评估催化剂的稳定性，进行了循环实验，该实验与降解实验的操作步骤基本一致。收集离心后的催化剂。使用真空泵对催化剂进行抽滤，以去除残留的水分和溶液。将抽滤后的催化剂放入鼓风干燥箱中，在60℃下干燥30 min，以去除残余的水分。将干燥好的催化剂重新放入新的TC溶液中，并重复上述实验步骤。如此反复进行4次。
实验设计将催化剂加入50 mg/L的TC的溶液中，并引入不同的添加剂以观察它们对催化过程的影响，同时设置不添加捕获剂的实验作为对照试验，从而分析出本研究制备的催化剂的催化机制。分别向溶液中加入苯醌(BQ)、异丙醇(IPA)和乙二胺四乙酸钠(EDTA-2Na)。每种添加剂的加入量根据其抑制特定反应步骤的能力来确定，通过预实验来确定最佳添加量。将采集的样品立即离心，取上清液进行后续分析。例如，如果BQ显著抑制了催化反应，这可能表明超氧自由基(•O−2)在催化过程中起到了关键作用；如果IPA或EDTA-2Na对反应有明显影响，则可能涉及羟基自由基(•OH)或空穴(h+)在催化过程中的作用。
根据有机溶液在特定光长下的吸光度，可以得到样品在不同时间的浓度，根据降解效率的计算公式可以得到该时间的降解效率。根据Lambert-Beer law，可得下式：
Φ=C0−CtC0×100%=A0−AtA0×100% (2) 其中：Φ为降解效率；C0为初始浓度；Ct为t时刻溶液浓度；A0为初始溶液吸光度；At为t时刻溶液吸光度。可以计算出在某个时刻t的溶液浓度，并根据所得浓度做出降解效率曲线。
2. 结果与讨论
2.1 样品的形貌与结构表征
从图1中的SEM图像可以观察到cRP NRs整体为纤维状结构。MIL-101-NH2铁基金属框架催化剂为较为规则的多面体的晶粒。这些晶粒的形状较为规则，但是大小分布并不均匀。材料表面存在一些细小的孔隙。这些孔隙MOFs是材料本身的特性之一，其存在对于材料的相容性和应用性能有着重要影响。通过观察图1(c)，可以清晰地观察到MIL-101-NH2分布于纤维状红磷及红磷纳米带的各个角落，并且紧紧贴合在纳米带的表面。
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图 1 晶态红磷纳米带(cRP NRs) (a)、MIL-101-NH2 (b)和cRP NRs/MIL-101-NH2 (c)的SEM图像Figure 1. SEM images of the crystalline red phosphorus nanoribbons (cRP NRs) (a), MIL-101-NH2 (b) and cRP NRs/MIL-101-NH2 (c)为了进一步深入分析材料的复合状态，采用了TEM透射电镜对MIL-101-NH2与cRP NRs复合后的形态进行了表征。在图2(b)中，MIL-101-NH2所展现的形态与之前在SEM扫描电镜下的观察结果保持了一致性。同时也可以更加清晰地看到MIL-101-NH2与cRP NRs之间紧密的贴合。在图2(e)中，可以清晰地观察到cRP NRs所特有的0.278 nm的(400)晶面的晶格条纹，呈现出了其独特的晶体结构[11-12]。而与之相对，MIL-101-NH2则呈现出无晶格条纹的状态，展示出其不同于cRP的另一种物质特性。在高分辨率透射电镜的元素分布扫描中，对P、O、Fe 3种元素进行了详尽的元素分布面谱分析。结果显示，Fe元素在复合材料中将红磷包裹，这种分布模式进一步证实了铁基MOF与红磷之间的紧密结合。而O元素的存在则暗示了复合材料中可能存在的氧化情况。通过这一系列的TEM观测和分析，进一步证实了新型cRP NRs/MIL-101-NH2的成功合成。
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图 2 ((a)~(c)) cRP NRs、MIL-101-NH2和cRP NRs/MIL-101-NH2的TEM图像；(d) cRP NRs/MIL-101-NH2的元素分布；(e) cRP NRs/MIL-101-NH2的晶格条纹图像；(f) cRP NRs、MIL-101-NH2和 cRP NRs/MIL-101-NH2的XRD图谱Figure 2. ((a)-(c)) TEM images of cRP NRs, MIL-101-NH2 and cRP NRs/MIL-101-NH2; (d) Elemental distribution of cRP NRs/MIL-101-NH2; (e) Lattice fringe images of cRP NRs/MIL-101-NH2; (f) XRD patterns of cRP NRs, MIL-101-NH2 and cRP NRs/MIL-101-NH2d—Diameter为了探究合成样品的结晶完整度和合成情况我们进行了XRD测试。从图2(f)中可以清楚的看到， cRP NRs与MIL-101-NH2制备出的新型复合材料分别对比两种原材料的XRD图，新型复合材料的主要特征峰与cRP和cRP NRs在角度为15°和16°处红磷的(001)和(200)晶面的特征峰虽然发生了些许偏移但是其峰的形状基本一致[11]。而MIL-101-NH2的峰同样出现，但是峰的高度大幅减小，证明了复合材料的成功合成，也说明了在新型复合材料中红磷占据了主体地位。
图3为cRP NRs、MIL-101-NH2和 MIL-101-NH2的XPS全谱图。从图中观察到，cRP NRs/MIL-101-NH2的XPS全元素谱中显示铁、氧、碳、磷几种元素共存，出现了在cRP NRs和MIL-101-NH2上没有的峰，证明了cRP NRs与MIL-101-NH2的成功结合。为了明确cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料中的元素价态和表面电子转移情况，如图4中进一步对4种元素进行了XPS分析。
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图 3 cRP NRs、MIL-101-NH2和cRP NRs/MIL-101-NH2的XPS全谱图Figure 3. XPS full spectra of cRP NRs, MIL-101-NH2, and cRP NRs/MIL-101-NH2![]()
图 4 cRP NRs、MIL-101-NH2和cRP NRs/MIL-101-NH2的C1s、O1s、Fe2p和P2p图谱Figure 4. C1s, O1s, Fe2p and P2p spectra of cRP NRs, MIL-101-NH2 and cRP NRs/MIL-101-NH2cRP NRs/MIL-101-NH2在图4的C元素谱中的C1s在284.8 eV处有一个强烈的峰为C—C峰，在286.44 eV、286.39 eV 和286.48 eV处分别对应着cRP NRs、MIL-101-NH2材料和复合材料的C—O峰，287.89 eV、288.72 eV和288.56 eV 对应着O—C=O的峰[29-30]。在O1s光谱中，可以看到，位于530.00 eV和529.70 eV对应的是Fe—O键，在cRP NRs的氧元素光谱中并未有对应的峰，而复合后则出现说明了MIL-101-NH2和cRP NRs的成功复合，而后面出现在533.18 eV和532.84 eV处的峰则代表了有机配体中的O和氧空位上吸附的H2O[30]。
样品中氧空位的形成是由于溶剂热过程中溶剂分子的蒸发，样品中的Fe2+必须通过除去晶格氧来平衡电荷。这种电荷平衡的趋势导致晶格氧附近的电子密度增加，从而削弱了复合材料中的Fe—O键。在P2p光谱中有3个特征峰，130.1 eV和130.96 eV处的峰分配给P2p1/2和P2p3/2代表P—P键，134.25 eV处的峰与五氧化二磷(P2O5)的典型波段相对应。在P2p光谱中对应的cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料中，P—P键的峰的位置变成了130.05 eV和130.91 eV，其位置也发生了右移，说明复合材料中P元素因结合能的降低，存在电子密度增加情况。再观察Fe2p对应的Fe元素光谱，在MIL-101-NH2中711.71 eV和725.64 eV代表了二价Fe2+ ，在713.68 eV和731.53 eV代表着三价Fe3+，717.76 eV处为卫星峰[13]。而复合材料在711.79 eV处所对应的Fe2+的峰发生了左移，说明复合材料中存在因Fe元素结合能的上升，而导致电子密度下降的情况。
为了进一步明确cRP NRs负载对复合材料比表面积的影响，对样品进行了N2吸附-解吸测定。在图5中，cRP NRs/MIL-101-NH2等温线为与微孔结构相关的I型性质曲线。
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图 5 cRP NRs、MIL-101-NH2及cRP NRs/MIL-101-NH2的N2吸脱附曲线Figure 5. N2 absorption and desorption curves of cRP NRs, MIL-101-NH2 and cRP NRs/MIL-101-NH2Va—Volume adsorbed; dV/dD—The change in unit aperture corresponds to the change rate of pore volume; STP—Standard temperature and pressure比表面积的排序如下：cRP NRs/MIL-101-NH2(33.547 m2/g) > MIL-101-NH2(14.644 m2/g) > cRP NRs(11.065 m2/g)，可以发现复合材料的比表面积高于复合前材料的比表面积。由此可以推断，复合材料对污染物具有更好的吸附和降解效果。
2.2 样品的光学性质
图6(a)中展示了紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)，可以发现MIL-101-NH2的吸收边最窄，所有材料复合后，都发生了红移，说明了复合材料的光吸收范围扩大。在图6(b)中通过式(1)转换的曲线画出Tauc's 图，通过找到斜率最大处与x轴的交点得到材料的禁带宽度信息。可以得到cRP NRs、MIL-101-NH2和cRP/MIL-101-NH2的带隙宽度分别为1.96 eV、2.80 eV和1.935 eV。通过图6(c)中Mott-Schottky曲线的绘制可以得到几种催化剂的导带情况。可以得到cRP NRs、MIL-101-NH2和cRP/MIL-101-NH2的导带分别为−0.65 eV、−0.45 eV和−0.51 eV，结合前文中的禁带宽度可以计算出这些材料和复合材料的价带。
如图7所示，为了分析制备的复合材料的对光的响应情况，对复合材料和原材料一同进行了瞬态光电流响应测试。可以发现， cRP NRs的光响应情况比MIL-101-NH2要高，cRP/MIL-101-NH2复合材料的光响应程度远远高于复合前的原材料。
2.3 样品的光催化性能实验
考虑到材料组分比例对光催化降解可能存在影响，并且为了探寻cRP NRs与MIL-101-NH2形成复合材料的最佳比例，设置了原材料质量比分别为2∶1、4∶3、1∶1和4∶5的几种复合材料进行探究。
如图8所示，即为几种不同比例材料和原材料的降解曲线。从图中可以看到复合材料在不同时刻对四环素的降解效果，揭示了复合材料与四环素之间的反应规律。从图中可以看到cRP NRs的吸附效果和光催化效果并不理想，在经过120 min光照后降解效果仅在49%左右。MIL-101-NH2表现出了优于cRP NRs的暗反应吸附性能，同时也展示了其些许的光催化性能。在120 min光照反应后， MIL-101-NH2则在光照60 min后保持平衡，降解了57%左右。经过溶剂热法复合后的材料cRP NRs/MIL-101-NH2表现出了优秀的吸附性能，在暗反应结束时，对TC的去除率最高能够达到52%左右。同时在开始光照后，产生了不错的光催化效果。在结束120 min光照时，几种材料的降解效率排序如下：cRP NRs/MIL-101-NH2 (1∶1)(~82%) > cRP NRs/MIL-101-NH2(4∶3) (~71%) > cRP NRs/MIL-101-NH2 (2∶1)(~70%) > cRP NRs/MIL-101-NH2 (4∶5)(~68%) > MIL-101-NH2 (~57%) > cRP NRs(~49%)。
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图 6 cRP NRs、MIL-101-NH2及cRP NRs/MIL-101-NH2的UV-Vis图(a)、Tauc's 图(b)和Mott-Schottky曲线(c)Figure 6. UV-Vis diagrams (a), Tauc's diagrams (b), and Mott-Schottky curves (c) of cRP NRs, MIL-101-NH2 and cRP NRs/MIL-101-NH2α—Absorbance; h—Planck constant; ν—Light frequency; hν—Photon energy; C—Capacitance如图9所示，根据方程−ln(Ct/C0)=kt，计算了反应的动力学曲线和相应的反应速率常数k。可以证实，本研究中涉及的所有光催化剂的反应动力学都很好地遵循伪一级反应。其中cRP NRs/MIL-101-NH2 (1∶1)的反应速率常数k值为
0.00776 min−1，高于其余几种比例复合的材料和原材料。毫无疑问，当 cRP NRs和MIL-101-NH2的质量比为1∶1时，复合材料的光催化降解效果最好。因此，在后续实验中继续沿用该比例制备的复合材料，并统一称为cRP NRs/MIL-101-NH2。![]()
图 7 cRP NRs、MIL-101-NH2及cRP NRs/MIL-101-NH2的瞬态光电流响应对比Figure 7. Comparison of transient photocurrent responses of cRP NRs,MIL-101-NH2 and cRP NRs/MIL-101-NH2![]()
图 8 cRP NRs、MIL-101-NH2、cRP NRs/MIL-101-NH2 (2∶1)、 cRP NRs/MIL-101-NH2 (4∶3)、cRP NRs/MIL-101-NH2 (1∶1)、cRP NRs/MIL-101-NH2 (4∶5)的降解曲线Figure 8. Degradation curves of cRP NRs, MIL-101-NH2, cRP NRs/MIL-101-NH2 (2∶1), cRP NRs/MIL-101-NH2 (4∶3), cRP NRs/MIL-101-NH2 (1∶1), and cRP NRs/MIL-101-NH2 (4∶5)为了验证复合材料的稳定性，以cRP NRs/MIL-101-NH2作为实验对象，以在热反应下更容易发生形变的MIL-101-NH2作为对比对象来进行循环实验。通过图10可以发现制备出的cRP NRs/MIL-101-NH2催化剂在前3次光催化降解四环素始终保持了优秀的降解效果，在进行第4次降解时虽然效果不如前3次，但是仍在光照120 min后降解效率达到了78%左右。而MIL-101-NH2则在第3次时降解效率就明显下降。经过循环实验的验证，证明了cRP NRs和MIL-101-NH2材料经过复合后，材料的稳定性也得到了明显的提高。
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图 9 cRP NRs、MIL-101-NH2、cRP NRs/MIL-101-NH2 (2∶1)、 cRP NRs/MIL-101-NH2 (4∶3)、cRP NRs/MIL-101-NH2 (1∶1)和cRP NRs/MIL-101-NH2 (4∶5)动力学拟合曲线Figure 9. Kinetic fitting curves of cRP NRs, MIL-101-NH2, cRP NRs/MIL-101-NH2 (2∶1), cRP NRs/MIL-101-NH2 (4∶3), cRP NRs/MIL-101-NH2 (1∶1), and cRP NRs/MIL-101-NH2 (4∶5)k—Reaction rate constant![]()
图 10 MIL-101-NH2和cRP NRs/MIL-101-NH2的循环降解曲线Figure 10. Cyclic degradation curves of MIL-101-NH2 and cRP NRs/MIL-101-NH2表1为查阅其他文献中的各种材料对四环素的降解情况。通过对比可以发现，制备出的cRP NRs/MIL-101-NH2经过120 min的光照后，其降解效果优于同类催化剂，如CDs/MIL-101(Fe)(81%)、MIL-101(Fe)/MIL-100(Fe)(80%)、TiO2(76.6%)和BiOI/MIL-125(Ti)(70%)。而相对于RP/MIL-101(Fe)、PSCN-50、MIL-101(Fe)/MoS2、RP/HAp以及P-BiOCl这几种材料，cRP NRs/MIL-101-NH2虽然降解效率没有这几种材料高，但是在催化剂浓度的对比上，能够明显发现cRP NRs/MIL-101-NH2的浓度明显低于这些材料。这证明了cRP NRs/MIL-101-NH2具有充分的潜力来进行四环素的光催化降解。
表 1 其他文献材料降解四环素效果对比Table 1. Comparison of tetracycline degradation effects of other materials in literaturesMaterial Catalyst concentration/
(mg·L−1)Dosage/mg TC concentration/
(mg·L−1)Reaction
time/minDegradation
efficiency/%Ref. cRP/MIL-101(Fe)-NH2 0.2 10 50 120 82 This study MIL-101(Fe)/MIL-100(Fe) 0.125 10 50 140 80 [31] TiO2 0.2 20 10 120 76.60 [32] BiOI/MIL-125(Ti) 0.25 25 20 120 70 [33] CDs/MIL-101(Fe) 0.5 50 75 120 81 [34] RP/MIL-101(Fe) 0.5 50 50 80 90.10 [15] PSCN-50 1 100 10 60 85.50 [35] MIL-101(Fe)/MoS2 0.3 30 100 40 85 [36] RP/HAp 1 100 10 30 100 [10] P-BiOCl 0.5 50 20 30 81 [37] Notes: TC is tetracycline; TiO2 is titanium dioxide; BiOI is a compound of bismuth oxide and iodine; CDs are carbon dots; RP is red phosphorus; PSCN is phosphorus-sulfur co-doped g-C3N4; MoS2 is molybdenum disulfide; HAp is a hollow hydroxyapatite; P is phosphorus; BiOCl is a compound of bismuth oxide and chlorine. 2.4 cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料的光催化降解机制分析
为了了解在整个光催化进行中因光照可能会产生的自由基对降解的影响，进行了自由基捕获实验。在进行光催化降解实验时加入对苯醌、异丙醇和乙二胺四乙酸二钠，这3种捕获剂分别对超氧自由基(•O−2)、羟基自由基(•OH)和光生空穴(h+)进行捕获。
在图11 cRP NRs/MIL-101-NH2的自由基捕获实验的降解曲线图中可以明显的发现加入的对苯醌、异丙醇和乙二胺四乙酸二钠均对光催化降解有抑制作用。说明在cRP NRs/MIL-101-NH2进行光催化降解四环素的过程中，超氧自由基(•O−2)、羟基自由基(•OH)和光生空穴(h+)都对降解起到了作用。其中对苯醌的加入对四环素降解的抑制效果最为明显，乙二胺四乙酸二钠次之，异丙醇的抑制效果最差但仍起到了部分作用，证明cRP NRs/MIL-101-NH2在光催化降解四环素的过程中超氧自由基(•O−2)对四环素的降解其主要作用，该情况的产生可能是因为MIL-101-NH2和cRP NRs的导带均达到了可产生超氧自由基的电位位置，所以超氧自由基的作用会更将明显。而羟基自由基的产生是由于MIL-101-NH2的价带电位能够达到产生•OH电位(1.99 eV)所造成，因此其在反应中的作用并不显著。
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图 11 cRP NRs/MIL-101-NH2的自由基捕获曲线Figure 11. Free radical trapping curves of cRP NRs/MIL-101-NH2BQ—Benzoquinone; IPA—Isopropyl alcohol; EDTA-2Na—Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt当cRP NRs/MIL-101-NH2受到光照时，cRP NRs和MIL-101-NH2都能产生光激发的e−和h+对。根据典型的II型异质结的假设，cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料的氧化还原电位将由MIL-101-NH2的负导带越正和cRP NRs的正价带越负决定[38-39]。虽然已知MIL-101-NH2的导带能量足以将O2分子还原成为•O−2，但cRP NRs的价带 (EVB=1.31 eV)不能从水中产生•OH自由基(E (•OH/OH−)= 1.99 eV)[13]。自由基捕获实验中的测量结果主要证实了反应介质中存在超氧自由基(•O−2)和羟基自由基(•OH)。因此，II型异质结不太可能发生。在图12中，由于MIL-101-NH2的导带位于cRP NRs的导带和价带之间，它很容易使电子(e−)从MIL-101-NH2的导带转移到cRP NRs的价带，并与cRP NRs的价带中的光生空穴(h+)重新结合。当开始光照后，电子向从价带向价带跃迁，同时依据几种材料经过XPS分析中结合能变化，判断出电子是从MIL-101-NH2向cRP NRs进行迁移，因此能够确认cRP NRs/MIL-101-NH2这种复合材料为Z型异质结结构。MIL-101-NH2的高比表面积和其结构特性可以改善cRP NRs团聚现象，降低了cRP NRs自身产生电子空穴对的复合速率，同时增加吸附点和活性位点，活性氧空位和吸附氧为该催化过程提供了更多的活性位点。随着时间的推移，在cRP NRs的导带和MIL-101-NH2的价带上分别积累了大量的e− 和h+。cRP NRs的导带中的e−直接还原溶解的O2分子，生成超氧自由基 (•O−2)，光生空穴 (h+)将H2O分子氧化生成羟基自由基 (•OH)。复合材料因其高比表面积和大孔径的特点先将TC吸附到材料表面，而后材料中因光照产生的强氧化物质•O−2 和•OH能够更快地与四环素发生氧化还原反应，在催化剂表面便能生成降解产物，从而提高了反应体系的降解速率。
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图 12 cRP NRs/MIL-101-NH2的光催化降解机制图Figure 12. Photocatalytic degradation mechanism of cRP NRs/MIL-101-NH2NHE—Normal hydrogen electrode2.5 cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料的光催化降解产物分析
通过高分辨质谱联用技术 (HRMS) 对降解中间产物进行鉴定，可能的反应路径图如图13所示。
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图 13 cRP NRs/MIL-101-NH2降解TC可能的路径Figure 13. Possible pathways of TC degradation by cRP NRs/MIL-101-NH2m/z—Mass to charge ratio在路径I中，开始降解时，TC上的 N—CH3由于N—C的低键能丢失[40]而形成了P1 (m/z=418)。然后在•O−2和 h+的攻击下，进一步•O−2攻击通过羟基和甲基的分离和开环产生 P2 (m/z=334) 的中间体。然后，通过羟基化、脱烷基化、脱水和开环反应进一步降解生成P3 (m/z=138) 、P4 (m/z=258) 、P5 (m/z=149)和P6 (m/z=194)。最终，这些中间产物被矿化CO2和H2O。
在路径II中，—NH2较高的负电荷，使其容易受到h+的攻击[41]，导致TC骨架中的氨损失，形成P7 (m/z=429)。随后，由于C的低键能和受到•O−2的攻击等因素，形成了P8 (m/z=365)。接着又由于h+、•OH和•O−2的攻击，通过环的裂解和脱羰反应进一步氧化成较小的化合物P9 (m/z=243) 和P10 (m/z=167)。最终形成无害的CO2和H2O。
3. 总 结
在本研究中，将晶态红磷纳米带(cRP NRs)与MIL-101-NH2通过溶剂热法进行了复合制备。随后，对原材料及其复合材料进行了表征和性能测试。通过对比分析，得到了关于这些材料结构、性能及应用潜力的重要结论，并通过一系列性能测试验证了它们在光催化领域的应用潜力。得到的结论如下：
(1)在SEM和TEM的拍摄下，能够清楚看到多面体的MIL-101-NH2分散包裹在条带状cRP NRs的表面。通过XRD可以直观地看到cRP NRs和MIL-101-NH2的特征峰出现在了复合材料的特征峰上。证明了复合材料cRP NRs/MIL-101-NH2的成功合成。
(2)在相同实验条件下，对原材料和不同比例制备的复合材料开展光催化降解四环素的光催化降解实验。对比实验结果显示，在光照120 min后，cRP NRs降解约49%，MIL-101-NH2 降解约57%，复合材料在质量比1∶1时表现了优于其他比例的光催化降解效果，降解约82%。同时，在cRP NRs/MIL-101-NH2的稳定性实验中，第四次循环中仍能达到78%左右的降解效果。
(3)通过紫外漫反射光谱得到的材料禁带宽度，Mott-Schottky曲线得到的材料导带电位，自由基捕获实验得到的材料表面发生光催化产生的自由基情况和XPS能谱得到材料中可能存在的电子转移和元素价态等实验数据的分析和佐证，最终确定本文所提出的新型复合材料cRP NRs/MIL-101-NH2为Z型异质结结构。
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图 1 钢试样在 CH、LC 和 ST 溶液钝化阶段的腐蚀电位曲线
Figure 1. Corrosion potential curves of steel specimens in the passivation stage of CH, LC and ST solutions.
The y-axis shows the corrosion potential (Ecorr) in volts (V), indicating the material’s tendency to corrode. More negative values of Ecorr suggest a higher corrosion tendency
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图 2 钢试样在CH、LC和ST溶液钝化阶段的Rp和Icorr曲线：(a)Rp；(b)Icorr
Figure 2. Rp and Icorr curves of steel specimens in the passivation stage of CH, LC and ST solutions: (a) Rp; (b) Icorr
(a) Polarization resistance (Rp) in ohms (Ω), indicating the material’s resistance to corrosion. Higher Rp suggests better corrosion resistance. (b) Corrosion current density (Icorr) in µA/cm², reflecting the rate of corrosion. Higher Icorr indicates a faster corrosion rate.
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图 3 钢试样钝化阶段的Nyquist图、Bode图和Phase图及其在CH、LC和ST溶液中的等效电路拟合结果
Figure 3. Nyquist, Bode and Phase plots of steel specimens in passivation phase and their equivalent circuit fitting results in CH, LC and ST solutions
Zi: The negative imaginary part of the impedance, representing the capacitive behavior of the system. A larger value indicates higher capacitive reactance. Zr: The real part of the impedance, representing the resistive component of the system. Higher values suggest greater resistance to current flow. |Z|: The absolute value of the impedance, which combines both the real and imaginary components. It reflects the overall opposition to the flow of current in the system
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图 5 CH，ST模拟液中的普通低碳钢试样钝化7天的 ToF-SIMS 结果，(a)：CH，(b)：ST
Figure 5. ToF-SIMS results of normal mild steel specimens passivated for 7 days in CH and ST simulation solution. (a): CH, (b): ST
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图 6 碱溶液中钢筋的钝化过程示意图：(a)初始状态；(b)Fe(OH)2的形成；(c)继续氧化及钝化膜的双层结构
Figure 6. Schematic representation of the passivation process of steel bars in alkali solution: (a) initial state; (b) formation of Fe(OH)2; (c) continued oxidation and bilayer structure of passivation film
表 1 钢筋成分表
Table 1 Chemical composition of steel bars
Element C Si Mn S P Fe Wt.% 0.2 0.55 1.42 0.028 0.026 97.776 
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表 2 EIS数据拟合结果
Table 2 Fitting results of EIS data of steel specimens
RS(Ω·cm2) CPE1,Q
(S·secn·cm−2)CPE1,a
[0<a<1]R1
(Ω·cm2)CPE2,Q
(S·secn·cm−2)CPE2,a
[0<a<1]Rct
(Ω·cm2)Chi-squared CH 0 d 30.99 0.000181 0.8801 3524 0.00007947 0.6681 37950 1. 62E-03 1 d 34.79 0.0006243 1 4439 0.0001044 0.6391 79980 4.18E-03 2 d 30.94 0.0001127 0.8815 5494 0.00004949 0.6548 117700 4.44E-04 3 d 33.37 0.0001092 0.8853 4838 0.00004493 0.6353 155900 6.45E-04 4 d 32.86 0.0002026 0.8861 5367 0.00004023 0.6493 186520 5.36E-04 5 d 29.14 0.0009702 0.8869 6947 0.00003695 0.6698 225400 4.11E-04 6 d 31.38 0.0001019 0.8840 7993 0.00003565 0.6095 218800 7.27E-04 7 d 29.54 0.0009796 0.8898 7881 0.00003274 0.6943 284900 5.77E-04 8 d 30.53 0.0009453 0.8914 7976 0.00002633 0.6764 316300 1.07E-04 9 d 33.21 0.0008241 0.9017 7023 0.00002888 0.6980 367900 1.69E-03 10 d 31 0.0008867 0.8954 8369 0.0000271 0.6853 338700 1.67E-03 LC 0 d 26.88 0.00007963 0.9061 68810 0.0001285 0.8469 55570 1.76E-03 1 d 29.81 0.00008169 0.9162 49580 0.00003099 0.8537 80470 3.31E-03 2 d 27.02 0.00008597 0.9147 34970 0.00003930 0.8694 96460 1.57E-03 3 d 27.35 0.00007808 0.9202 35500 0.00001436 0.9261 71310 8.15E-04 4 d 28.73 0.00007633 0.9234 25330 0.00001419 0.8907 78030 1.06E-04 5 d 29.51 0.00003119 1 13280 0.00005319 0.8801 1417000 1.18E-03 6 d 26.56 0.00007546 0.9189 29240 0.00001400 0.8347 1114000 1.39E-03 7 d 26.03 0.00007776 0.9115 37020 0.00002071 0.8937 704000 1.58E-03 8 d 29.48 0.00007773 0.9123 31290 0.00001734 0.8714 2148000 4.01E-03 9 d 30.64 0.00007588 0.9165 21900 0.00001732 0.9250 4468000 1.22E-03 10 d 30.25 0.00007609 0.9173 23960 0.000018 0.8852 7130000 6.82E-04 ST 0 d 38.06 0.00007504 0.9183 54850 0.0000255 0.2326 686100 9.78E-04 1 d 33.09 0.00003052 1 15580 0.00005107 0.8384 619000 1.38E-03 2 d 30.92 0.00003169 1 25560 0.00004324 0.8214 656700 1.84E-03 3 d 29.45 0.00002717 1 12940 0.00005259 0.8538 741300 5.99E-04 4 d 33.62 0.00002766 1 13730 0.00004696 0.8482 846000 9.22E-04 5 d 34.40 0.00007253 0.9229 14380 0.00001506 0.8328 562500 1.20E-04 6 d 35.79 0.00002826 1 14090 0.00004813 0.8487 988800 4.91E-04 7 d 38.06 0.00007504 0.9183 14850 0.00003524 0.8326 6861000 9.78E-04 8 d 38.24 0.00002682 1 12490 0.00005017 0.8504 0.851237000 7.70E-04 9 d 31.27 0.00007871 0.9116 13360 0.00005955 0.7915 1256000 7.13E-04 10 d 34.21 0.00004021 1 18620 0.00001925 0.7912 1145000 6.35E-03 Notes: Rs: Solution resistance. CPE1, Q1: Constant phase element 1 (CPE), describing the non-ideal capacitance behavior. CPE1, n1: Exponent of CPE1, indicating deviation from ideal capacitive behavior. R1: Charge transfer resistance. CPE2, Q2: Constant phase element 2 (CPE), associated with surface processes. CPE2, n2: Exponent of CPE2, indicating deviation from ideal capacitive behavior. Rct: Corrosion resistance. Chi-squared: Indicator of the goodness-of-fit for the model.)
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表 3 钝化阶段钝化膜厚度计算(nm)
Table 3 Calculation of passivation film thickness (nm) at passivation stage
0 d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 8 d 9 d 10 d CH 2.16 2.252 2.681 2.536 2.693 2.795 2.884 3.287 3.564 3.629 3.757 LC 2.412 2.699 3.285 3.997 3.869 3.789 3.854 3.905 3.881 3.798 3.773 ST 3.572 4.379 4.317 4.296 4.271 4.165 4.137 4.364 4.152 4.312 4.288
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目的
钢筋混凝土因其特有的坚固性、来源广泛、成本低廉等优势广泛应用在各种大型建筑、沿海建筑中，但其因氯离子等侵蚀性介质的存在导致混凝土建筑腐蚀破坏比比皆是。对低碳钢钝化膜形成的最佳碱性条件及其钝化机理现仍存在诸多不明之处，需要进一步研究以阐明低碳钢的钝化机理及耐腐蚀策略。本文利用开路电位、极化电阻等方法探究低碳钢钝化机理。
方法利用电化学方法研究低碳钢的钝化时间钝化膜厚度等，电化学测量采用经典的三电极腐蚀电池配置，腐蚀电位显示普通低碳钢在CH、LC和ST三种不同pH值溶液中10天内钝化阶段的腐蚀电位(E)趋势，由此得到低碳钢在三种溶液中的钝化效果及钝化时间。极化电阻与腐蚀电流密度取前10天的数据，根据曲线的升降可得钝化效果随pH值的变化。通过对钢试样进行EIS测试得到钢试样的钝化时间，从而印证腐蚀电位的结果是正确的。文章使用德国ION-TOF GmbH公司的TOF.SIMS 5-100系统进行ToF-SIMS分析，整个分析过程中，设备的真空度保持在1×10托以下。通过ToF-SIMS分析得到钝化膜厚度的变化，与电化学方法相比较得出一致的结论。
结果低碳钢钝化时间、钝化膜厚度可以从电化学方法的几方面得到：1，腐蚀电位测试显示，pH值最高的ST溶液中，普通钢材的钝化膜的钝化性能较好，其次是pH值稍高的LC溶液，而pH值最低的CH溶液的钝化性能较差。2，CH溶液中的极化电阻在四天后稳定在一定范围。ST溶液中的试样则显示出极化电阻六天后在一定范围内波动，说明钝化膜的稳定性与pH值相关，pH值越高，形成的钝化膜越稳定且具有更强的保护性，这对钝化膜的有效性有重要影响。3，电化学阻抗谱结果显示，CH模拟液中钝化时间约为9天，普通低碳钢试样可以在LC模拟液中钝化，钝化过程需要3天，而ST模拟液中钝化时间仅为1天。4，ToF-SIMS溅射去除了外层钝化膜，暴露出富含铁氧化物的内层，Fe的增加则表明钝化膜具有双层结构，钝化1天后，钝化膜厚度约为2.81nm，7天后约为3.75nm。图6则显示ST溶液中膜厚由1至7天从3.35nm增至4.35nm，表明膜厚随时间增加，成分主要为铁氧化物，且在相同钝化时间内，钝化膜厚度随pH值增加而增大。最终，得到低碳钢钝化机理：钝化膜形成的初始阶段主要涉及吸附在强化基体表面的 Fe(OH)2的合成。随着反应的进行，Fe(OH)2会发生转变，生成FeO、FeOOH、Fe(OH)3和 Fe2O3，外层富含铁化合物，而内层则含有亚铁化合物。亚铁化合物比铁化合物具有更好的致密性，从而使被动薄膜的内层比外层更致密。随着pH值的增加，表明OH-浓度上升，Fe(OH)2的形成会增强，从而形成更厚的Fe(OH)2膜。Fe(OH)2的后续反应会产生FeO、FeOOH、Fe(OH)3、Fe2O3 等，最终形成更稳定的钝化膜。因此，模拟溶液的pH值升高与低碳钢表面钝化膜的稳定性增加有关。
结论本文探讨了不同pH值的混凝土孔隙溶液对普通低碳钢钝化的影响，阐明了钝化行为和机理。低碳钢在不同pH值条件下均能自发形成钝化，随钝化过程的进行钝化膜的电化学性能逐步增强，同时钝化膜性能和pH值存在一定的正相关性。pH值为驱动铁基材料表面钝化的动力，可以直接影响钝化效果的结果。pH值越高，钝化效果越好。在高pH环境中，低碳钢表面的钝化倾向更为明显，不同pH条件下低碳钢表面的钝化膜都经历了从快速初始生长到后期逐渐稳定的过程。
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未侵蚀混凝土中钢筋表面会形成稳定的钝化膜，显著提高其耐蚀性和混凝土结构的服役寿命。但大量矿物掺合料的使用会改变混凝土孔隙溶液的pH值，大量矿物掺合料的使用会使混凝土孔溶液的pH值会波动在11.5-13，影响钢材钝化性能。
基于此，本文系统研究了低碳钢在三种不同pH值模拟混凝土孔隙溶液中的钝化行为。通过多种电化学测试方法和ToF-SIMS分析，阐明了低碳钢的钝化行为规律，揭示了其受不同pH值影响的钝化机制，因此，无论混凝土模拟液的pH值如何，低碳钢均能自发形成钝化膜。pH值是促进低碳钢钝化的关键因素且与钝化膜性能存在正相关性，随着模拟液pH值的升高，钝化膜厚度为增加的趋势，形成更加稳定的钝化膜，从而使其钝化性能得到增强。
钢试样在CH、LC和ST溶液钝化阶段的Rp和Icorr曲线：(a)Rp；(b)Icorr
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