CN108754583A - 一种纳米钒酸铋-锌电镀层及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电化学镀层领域，具体涉及一种光催化抗菌耐蚀的纳米钒酸铋‑锌电镀层及其制备方法和应用。在含有纳米钒酸铋的无毒硫酸盐镀液体系中，利用超声波与搅拌辅助，在基材表面恒电流电沉积获得纳米钒酸铋掺杂的抗菌耐蚀锌镀层。本发明中纳米钒酸铋‑锌复合电镀层具有表面致密、电位较负、环境友好及高效抗菌等诸多优点，适用于多种生物活性环境中钢铁材料的绿色防护，具有良好的应用价值。

Description

一种纳米钒酸铋-锌电镀层及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电化学镀层领域，具体涉及一种光催化抗菌耐蚀的纳米钒酸铋-锌电镀层及其制备方法和应用。
背景技术
在众多钢铁的防护性金属镀层中，锌镀层自腐蚀电位负、晶体结构致密，屏障作用好，一直被广泛应用于钢铁防护。然而，海洋环境是一个生物活性非常高的腐蚀性环境，由生物活性引起的微生物腐蚀与生物污损问题一直以来威胁着人工钢铁设施的安全运行，因此，对于海洋环境中钢铁设施的生物活性的控制具有重要意义。
目前，针对生物活性的腐蚀与污损问题，常规的防护方法是使用负载有机杀菌剂的有机涂料或无机涂镀层解决。然而，有机杀菌剂多采用毒性机制，且需要持续释放才能达到长效防护效果，因此会对环境造成一定污染，危害生态安全[1]。
近年来，无机防污纳米材料得到进一步发展，并获得良好的杀菌防污效果。目前，无机防污材料主要包括贵金属杀菌材料和光催化杀菌材料。贵金属材料如银、铜颗粒等，但是价格昂贵，且多数具有生物毒性，对环境具有一定危害。而光催化杀菌材料是近年来研究较多，且杀菌效果良好、对环境完全无毒无污染，是理想的环境友好防污材料。然而，这些光催化纳米材料都是以粉体形式存在，只能应用在水体环境中，即使使用溶胶凝胶法或涂覆法等手段使其在基底表面形成薄膜，虽然达到防污效果，但其机械性能很差，无法适用于实海应用环境[2]。尽管最新研究表明，部分光催化纳米材料可以使用原位生长的方法获得薄膜，但是仅限于半导体金属氧化物，并不能适用于更广泛的纳米光催化材料[3]。
发明内容
针对上述钢铁防护性锌镀层在海洋环境中应用时遇到的生物活性腐蚀与污损问题，本发明目的在于提供一种光催化抗菌耐蚀的纳米钒酸铋-锌电镀层及其制备和应用。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案为：
一种纳米钒酸铋-锌电镀层，在含有纳米钒酸铋的无毒硫酸盐镀液体系中，利用超声波与搅拌辅助，在基材表面恒电流电沉积获得纳米钒酸铋掺杂的抗菌耐蚀锌镀层。
所述无毒硫酸盐镀液体系为250～400g/L ZnSO4·7H2O、80～250g/L Na2SO4、25～30g/L H3BO3、40～45g/L Al2(SO4)3·18H2O。
所述镀液体系中添加树枝状纳米钒酸铋，其添加量为每升镀液体系中加入8-12g。
所述树枝状纳米钒酸铋为将钒酸铋通过水热合成法制备。
具体为：利用Bi(NO3)3·5H2O的硝酸溶液作为A；在NH4VO3的NaOH溶液中加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)得到溶解液B；然后在磁力搅拌下将B溶解液逐滴加入到A溶解液中，并调节悬浮液pH为7，继续搅拌60min；将悬浮液转移至高压反应釜中，160℃热处理24h；反应结束后，产物抽滤得到树枝状BiVO4。
所述超声波与搅拌等辅助恒电流沉积方法，所述直流电沉积条件为在0～45W辅助超声功率，超声循环间隔为ton＝toff＝1～5s，400～800rpm辅助搅拌条件，15～25mA cm-2直流电沉积电流密度。
进一步地讲，以上所述最佳直流电沉积条件为15W辅助超声功率，超声循环间隔为ton＝toff＝1s，600rpm辅助搅拌条件，20mA cm-2直流电沉积电流密度。
一种纳米钒酸铋-锌电镀层的制备方法，在含有纳米钒酸铋的无毒硫酸盐镀液体系中，利用超声波与搅拌辅助，在基材表面恒电流电沉积获得纳米钒酸铋掺杂的抗菌耐蚀锌镀层。
所述无毒硫酸盐镀液体系为250～400g/L ZnSO4·7H2O、80～250g/L Na2SO4、25～30g/L H3BO3、40～45g/L Al2(SO4)3·18H2O；所述镀液体系中添加树枝状纳米钒酸铋，其添加量为每升镀液体系中加入8-12g。
所述超声波与搅拌等辅助恒电流沉积方法，所述直流电沉积条件为在0～45W辅助超声功率，超声循环间隔为ton＝toff＝1～5s，400～800rpm辅助搅拌条件，15～25mA cm-2直流电沉积电流密度。
一种纳米钒酸铋-锌电镀层的应用，所述形成的纳米钒酸铋-锌电镀层在海洋生物污损及腐蚀环境中的应用。
所述形成的纳米钒酸铋-锌电镀层于光催化作用下在海洋生物污损及腐蚀环境中的应用。
本发明的有益效果在于：
本发明将具有光催化抗菌特性的树枝状纳米钒酸铋掺杂入锌镀层中，通过超声与搅拌的辅助，有效增强了锌镀层的耐腐蚀性能，并进一步获得了光催化抗菌性能，可应用于生物活性高的海洋环境中。相比于常规锌镀层或常规防腐防污方法，该镀层具备绿色、高效、无能源消耗、无毒性释放等显著优点，其耐蚀与光催化抗菌性能也大大提升，对于海洋环境中钢铁材料的防护锌镀层具有重大应用意义。具体在于：
(1)本发明不仅具备普通锌镀层自腐蚀电位负、屏障作用好的优点，还大大加强了其耐蚀与抗菌性能,且其在光催化条件下抗菌性能尤为突出；
(2)本发明中纳米钒酸铋的掺杂能够有效增大沉积电流效率，降低防护成本，节约电能能源；
(4)本发明利用可见光或锌与钒酸铋之间的电位差作为抗菌防污的能量来源，产生羟基自由基进行杀菌，无任何能源消耗与毒性释放，纯天然无污染；
(5)本发明镀层与基底结合牢固，为光催化粉体材料提供了牢固的基底结合方法；
(6)本发明获得了在暗态与光照下均可以获得抗菌性能的复合镀层，且在光照条件下抗菌性能尤为突出
(7)本发明利用锌基镀层作为纳米钒酸铋与基底结合的有效手段，解决了钒酸铋作为钒酸金属盐无法适用于原位生长的问题，提供了一种对钢铁结构在生物活性环境中的耐蚀与抗菌防护方法。
附图说明
图1为本发明实施例提供的纳米钒酸铋-锌电镀层CV1(a)、CV2(b)、CV3(c)、CV4(d)的扫描电镜(SEM)照片。
图2为本发明实施例提供的纳米钒酸铋-锌电镀层的放大SEM照片，其中a、b、c为CV4上三个不同位置的形貌照片。
图3为本发明实施例提供的纳米钒酸铋、纯锌电镀层CB1与纳米钒酸铋-锌电镀层CV1、CV2、CV3、CV4的X射线衍射(XRD)图谱
图4为本发明实施例提供的纯锌电镀层(CB1、CB2、CB3、CB4)与纳米钒酸铋-锌电镀层CV1、CV2、CV3、CV4的电流效率图。
图5为本发明实施例提供的纯锌电镀层CB2在暗态条件(a)、光照条件(b)与纳米钒酸铋-锌电镀层CV2在暗态条件(c)、光照条件(d)下浸泡于107cfu/mL大肠杆菌磷酸缓冲盐溶液中2h后的荧光显微照片。
图6为本发明实施例提供的本发明实施例提供的纯锌电镀层CB1、CB2、CB3、CB4与纳米钒酸铋-锌电镀层CV1、CV2、CV3、CV4分别在暗态与光照条件下浸泡于107cfu/mL大肠杆菌磷酸缓冲盐溶液中2h后计算得到的细菌附着率。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明作进一步说明，有助于本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1：
纳米钒酸铋-锌复合电镀层的制备
1)树枝状钒酸铋制备：Bi(NO3)3·5H2O的硝酸溶液作为A溶液；在NH4VO3的NaOH溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)得到溶解液B；然后在磁力搅拌下将溶解液B逐滴加入到A溶液中，并调节悬浮液pH为7，继续搅拌60min；将悬浮液转移至高压反应釜中，160℃热处理24h；反应结束后，产物抽滤得到树枝状纳米BiVO4 [2]。
其中，A溶液为Bi(NO3)3·5H2O的硝酸溶液，其中Bi(NO3)3·5H2O与HNO3的物质的量之比为1:10；B溶液为NH4VO3的NaOH溶液，其中NaOH与NH4VO3物质的量之比为1:10，继而在100mLNH4VO3的NaOH溶液加入0.5g PVP。
2)硫酸锌镀液体系配制：250g/L ZnSO4·7H2O、80g/L Na2SO4、25g/L H3BO3、40g/LAl2(SO4)3·18H2O，得到硫酸盐镀液SBlank，作为空白对照组镀液体系备用；
再向上述获得硫酸盐镀液SBlank中分别添加10g/L上述步骤1)获得的树枝状纳米BiVO4，制备得到复合硫酸锌镀液SV，作为实验组镀液体系备用。
3)以20#标准碳钢片为基体材料，用80#、400#、1000#、2000#砂纸水相砂纸打磨试片每个表面，放入无水乙醇中超声10min以去除其表面油污，然后将试片裸露部分浸入1mol/L的HCl中5s，活化其表面，备用。
4)使用DJS-292E型恒电位仪，调至恒电流模式下，以步骤2)中处理后的待保护钢连接直流电源负极，以相同尺寸的纯锌片连接直流电源正极。按照下述实验设置分别将其浸没于步骤2)制备的空白组镀液体系SBlank与实验组镀液体系钒酸铋复合镀液SV中，进而获得不同条件下的纯锌电镀层(CB)与纳米钒酸铋-锌电镀层(CV)：
i.搅拌速度800rpm，无超声辅助条件下，在15mA cm-2电流密度下恒电流沉积20min，得到纯锌电镀层(CB1)与纳米钒酸铋-锌电镀层(CV1)；
ii.搅拌速度600rpm，超声功率15W(ton＝1s，toff＝1s)辅助条件下，在20mA cm-2电流密度下恒电流沉积20min，得到复合锌镀层为CB2与CV2；
iii.搅拌速度600rpm，超声功率30W(ton＝1s，toff＝1s)辅助条件下，在20mA cm-2电流密度下恒电流沉积20min，得到复合锌镀层为CB3与CV3；
iv.搅拌速度400rpm，超声功率45W(ton＝5s，toff＝5s)辅助条件下，在25mA cm-2电流密度下恒电流沉积20min，得到复合锌镀层为CB4与CV4；
5)电沉积完成后，取出镀好的钢片，表面用二次蒸馏水冲洗残留电镀液2～3次，干燥。
纳米钒酸铋-锌电镀层CV1、CV2、CV3和CV4扫描电子显微镜(SEM)照片如图1与图2所示。可以观察到，纳米钒酸铋-锌电镀层表面清楚地观察到了树枝状纳米颗粒，且纳米颗粒随着辅助超声功率的增大而增多。进一步X射线衍射(XRD)结果表明，在纳米钒酸铋-锌电镀层的衍射峰中，可以明显观察到钒酸铋的特征峰，如图3所示。其结果表明，钒酸铋纳米颗粒以完整、有效的结构与形貌成功掺杂于电镀层内。综上所述，通过超声与搅拌的辅助，树枝状纳米钒酸铋成功引入到锌电镀层内部。
最终，在镀层中均匀掺杂了均匀分散的树枝状钒酸铋纳米颗粒，且使得钒酸铋纳米颗粒与锌晶粒接触充分，与基底结合牢固，获得了均匀分散的纳米钒酸铋-锌电镀层。
实施例2：
纳米钒酸铋-锌电镀层与纯锌电镀层电流效率对比：
纳米钒酸铋-锌电镀层为上述实施例1制备获得；
纯锌电镀层为：在SBlank中以与纳米钒酸铋-锌电镀层相同的电沉积条件制备获得；
而后对纯锌电镀层与纳米钒酸铋-锌电镀层，在沉积前后称量镀层质量，根据公式(1)计算沉积过程中的阴极电流效率(参见图4)。
其中，ηc为阴极电流效率；m1为沉积前试样质量，g；m2为沉积后试样质量，g；e为电子所带电荷量，C；j为电流密度，mA cm-2；S为暴露在镀液中的沉积反应面积，cm2；t为沉积时间，s；MZn为Zn的摩尔质量，g/mol；NA为阿伏伽德罗常数。
如图4所示，在本发明覆盖的所有实验条件范围内，纳米钒酸铋在镀液中的添加有效增大了电流效率，阴极电流效率ηc增幅可达2％～3％，有助于节省电能，节约成本。
实施例3：
纳米钒酸铋-锌电镀层抗菌性能
按照实施例1中步骤制备纯锌电镀层(CB1、CB2、CB3、CB4)与纳米钒酸铋-锌电镀层(CV1、CV2、CV3、CV4)，浸泡于107cfu/mL大肠杆菌(E.coli)磷酸缓冲盐溶液(PBS)菌液中，分别在暗态与4000mW可见光照射条件下浸泡2h。取出后，利用APE公司的K2081型染色剂将镀层表面的细菌染色后进行荧光显微观察(图5)，并计算附着率(图6)。
以超声辅助为15W条件下制备的纯锌电镀层CB2与纳米钒酸铋-锌电镀层CV2为例，其荧光显微照片如图5所示。染色后的细菌菌体可发出荧光，显示为图中的亮点。在暗态与光照下的纯锌镀层CB2表面均出现了大量密集均匀附着的菌体，附着的细菌呈现了单个附着的形态，几乎没有团聚。暗态下的纳米钒酸铋-锌电镀层表面则出现了菌落附着的情况，却并没有发现游离的单个附着细菌；而光照下的纳米钒酸铋-锌电镀层表面则几乎没有发现任何的附着细菌，展现了优异的抗菌性能。
经统计计算，纯锌镀层(CB1、CB2、CB3、CB4)与钒酸铋-锌镀层(CV1、CV2、CV3、CV4)如图6所示，可以发现，本发明中的所有条件下制备的纳米钒酸铋-锌电镀层相比于纯锌镀层具备了良好的杀菌性能，即使在暗态条件下，其细菌附着率也有明显降低，且在光催化条件下，细菌几乎无附着，达到了良好的抗菌效果。另外，随着制备的超声功率的增大，纳米钒酸铋-锌电镀层的抗菌性能有所提升，在45W超声功率辅助下制备的纳米钒酸铋-锌电镀层在光照条件下抗菌性能尤其突出。
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Claims (10)

1.一种纳米钒酸铋-锌电镀层，其特征在于：在含有纳米钒酸铋的无毒硫酸盐镀液体系中，利用超声波与搅拌辅助，在基材表面恒电流电沉积获得纳米钒酸铋掺杂的抗菌耐蚀锌镀层。
2.按权利要求1所述的纳米钒酸铋-锌电镀层，其特征在于：所述无毒硫酸盐镀液体系为250～400g/L ZnSO4·7H2O、80～250g/L Na2SO4、25～30g/L H3BO3、40～45g/L Al2(SO4)3·18H2O。
3.按权利要求1所述的纳米钒酸铋-锌电镀层，其特征在于：所述镀液体系中添加树枝状纳米钒酸铋，其添加量为每升镀液体系中加入8-12g。
4.按权利要求1或3所述的纳米钒酸铋-锌电镀层，其特征在于：所述树枝状纳米钒酸铋为将钒酸铋通过水热合成法制备。
5.按权利要求1所述的纳米钒酸铋-锌电镀层，其特征在于：所述超声波与搅拌的辅助恒电流沉积方法，所述直流电沉积条件为在0～45W辅助超声功率，超声循环间隔为ton＝toff＝1～5s，400～800rpm辅助搅拌条件，15～25mA cm-2直流电沉积电流密度。
6.一种权利要求1所述的纳米钒酸铋-锌电镀层的制备方法，其特征在于：在含有纳米钒酸铋的无毒硫酸盐镀液体系中，利用超声波与搅拌辅助，在基材表面恒电流电沉积获得纳米钒酸铋掺杂的抗菌耐蚀锌镀层。
7.按权利要求6的纳米钒酸铋-锌电镀层的制备方法，其特征在于：所述无毒硫酸盐镀液体系为250～400g/L ZnSO4·7H2O、80～250g/L Na2SO4、25～30g/L H3BO3、40～45g/L Al2(SO4)3·18H2O；所述镀液体系中添加树枝状纳米钒酸铋，其添加量为每升镀液体系中加入8-12g。
8.按权利要求6的纳米钒酸铋-锌电镀层的制备方法，其特征在于：所述超声波与搅拌的辅助恒电流沉积方法，所述直流电沉积条件为在0～45W辅助超声功率，超声循环间隔为ton＝toff＝1～5s，400～800rpm辅助搅拌条件，15～25mA cm-2直流电沉积电流密度。
9.一种权利要求1所述的纳米钒酸铋-锌电镀层的应用，其特征在于：所述形成的纳米钒酸铋-锌电镀层在海洋生物污损及腐蚀环境中的应用。
10.按权利要求9所述的纳米钒酸铋-锌电镀层的应用，其特征在于：所述形成的纳米钒酸铋-锌电镀层于光催化作用下在海洋生物污损及腐蚀环境中的应用。
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