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摘要：實驗采用化學沉積的方法，以45#鋼為基體，探討了沉積條件的變化對沉積速率、復合涂層中納米TiO2復合量的影響、涂層硬度以及光催化性能的影響。通過XRD、金相顯微鏡和SEM等對涂層進行了表征，采用顯微硬度計測定了涂層的顯微硬度,分析了涂層的光催化性能。結果表明：在Ni-P-納米TiO2化學沉積的鍍液中，TiO2最佳濃度為6.0g/L，表面活性劑為200mg/L，在此條件下，涂層的光催化性能優(yōu)良。
關鍵詞： 化學沉積;Ni-P-納米TiO2;熱處理;光催化性能
1 引言
納米TiO2因其成本低、化學性質穩(wěn)定、對生物物毒性而被作為一種優(yōu)異的光催化劑，廣泛用于抗菌除臭、處理污水、廢氣凈化等方面。近年來，由于環(huán)境問題日益嚴重，環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展成為人們考慮的首要問題，使得納米TiO2成為科技工作者研究的重點[1～7]。納米TiO2用于光催化降解主要采用懸浮體系的方式，但是將TiO2 粉體直接分散到水介質中容易產生催化劑難以回收利用的問題，因此催化劑固定問題必須解決。本文采用化學沉積方法制備Ni-P-納米TiO2 復合涂層，并對甲基橙溶液做了光催化降解實驗。
2 實驗
2.1 鍍液的成分
硫酸鎳（NiSO4·6H2O）；次亞磷酸鈉（NaH2PO4·H2O）；乳酸（C3H6O3）；丙酸（C3H6O2）；乙酸鉛（Pb(CH3COO)2）；納米TiO2（10～30nm，銳鈦礦）；硼酸（H3PO3）；表面活性（十二烷基苯璜酸鈉）；氫氧化鈉（NaOH）；硫酸（H2SO4），以上均為分析純。基礎配方為：硫酸鎳（25g/L），次亞磷酸鈉NaH2PO2·6H2O（24g/L），乳酸（30ml/L），丙酸（3g/L），硼酸（4.5g/L），Pb2+（2mg/L），納米TiO2（2～8 g/L），溫度（90℃），pH=5.0，表面活性劑（100～400mg/L），沉積實驗2h。
2.2 鍍層性能的測定方法
采用Oxford INCA 場發(fā)射式能譜儀（EDS）定量測定涂層中Ti 元素的含量，從而得出復合涂層中TiO2 的復合量；Sirion200 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）和XJL-02 型金相顯微鏡觀測鍍層表面形貌；利用D/max-rb 旋轉陽極X 射線衍射儀表征涂層的組織結構；在MH-6型顯微硬度計上測定涂層的顯微硬度。
3 結果與討論
3.1 鍍液成分對沉積速度的影響
鍍液性能的重要指標之一就是沉積速率，沉積速率的測量方法很多，本實驗采用的是重量法，即稱量工件沉積前后的質量，然后根據(jù)式3-1 計算出沉積速率。
式中V—沉積速率，mg/cm2·h；G1—鍍件施鍍前重量，mg；G2—鍍件施鍍后重量，mg；S—鍍件表面積，cm2；T—施鍍時間，h。
3.1.1表面活性劑對沉積速率的影響
實驗中加入表面活性劑是為了降低鍍液表面張力[8]，并與鍍液中的納米顆粒表面吸附，形成微胞狀態(tài)，并在顆粒間形成排斥力，使納米粉均勻分散在鍍液中。圖1為表面活性劑與沉積速率的關系，從圖中可以看出隨著活性劑加入量的增加，沉積速率先增加后降低。因為表面活性劑在鍍液中不僅能包裹納米顆粒，也能降低表面能，使得納米顆粒在鍍件的表面粘附幾率增大，提高沉積速率。但當表面活性劑的加入量超過300mg/L時，沉積速率有減小的趨勢。這是因為較少的表面活性劑不能完全包裹納米顆粒，未被包裹的納米顆粒產生團聚并逐漸沉積至鍍液底部，降低了懸浮于鍍液中納米粒子的含量[9]。但過量的表面活性劑會降低鍍件表面活性，沉積速率減小。表面活性劑濃度存在一個最佳值，此時表面活性劑在顆粒表面達到了飽和吸附，分散效果最佳。
3.1.2納米TiO2 的加入量對沉積速率的影響
沉積速率與納米TiO2的加入量的關系如圖2。由圖所示，隨著納米TiO2的加入量的增加，沉積速率逐漸增大，當納米TiO2 的加入量達到4g/L 時，沉積速率達到最大值。繼續(xù)增加鍍液中納米TiO2，沉積速率開始減小。 其原因是隨鍍液中納米TiO2 的增加，運動的顆粒對基體表面的沖刷和刮磨作用增強，增加了催化活性點的數(shù)目，使金屬顆粒的還原速度加快，有利于涂層的沉積[10]，此外，顆粒會吸附溶液中的H+，對共沉積起促進作用。但當鍍液中納米TiO2 的含量過大時，基體一部分表面被TiO2 顆粒所屏蔽，部分催化活性點被掩蓋而失去活性，活性點減少，另外顆粒過多，對基體表面沖刷刮磨的頻率加快，而且會使顆粒之間相互碰撞，從而影響顆粒的表面駐留，不利于基體的鍍覆，導致化學涂層的沉積速率下降。
3.2 工藝參數(shù)及攪拌速度對涂層中納米TiO2復合量的影響
3.2.1 納米顆粒的加入量對涂層中納米TiO2復合量的影響
鍍液中納米TiO2濃度對涂層中納米TiO2復合量的影響見圖3。結果表明：隨著鍍液中納米粒子含量的增加，涂層中納米TiO2復合量增加，當鍍液中納米TiO2濃度達6g/L時，復合量逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為隨著鍍液中納米TiO2濃度增加，鍍液中的懸浮顆粒也隨之增加，發(fā)生吸附的幾率增大，微粒被嵌入涂層的機會增多，涂層中納米TiO2復合量增加。但當鍍液中納米TiO2濃度達6g/L后，在高速液流的沖擊下，涂層表面對顆粒的吸附趨于飽和，所以隨著鍍液中微粒含量的增加，微粒的強吸附速度趨于穩(wěn)定, 涂層表面的部分催化活性點被掩蓋而失去作用，涂層中的納米顆粒復合量反而降低。
3.2.2攪拌速度對納米顆粒復合量的影響
攪拌速度對納米顆粒復合量的影響如圖4 所示，由圖可以看出：隨著攪拌速度的增加，涂層中納米顆粒復合量開始增加，然后有減小的趨勢。這主要是因為隨著攪拌速度的提高，鍍液的流動速度增加，鍍液中懸浮顆粒數(shù)目增加，從而促進了納米顆粒的共沉積，使得納米顆粒復合量增加[11]。但是，隨著攪拌速度進一步升高，納米顆粒隨鍍液一起運動的速度也就高，達到基體表面的納米顆粒數(shù)量雖然大，但液體對基體表面沖擊力也很大，這不僅使納米顆粒難以粘附于基體表面，還可能通過液流的剪切力把剛剛共沉積的顆粒沖掉，使之脫離基體表面，重新進入鍍液，從而阻礙納米顆粒共沉積，降低了納米顆粒的復合量[12]。通過本實驗知，攪拌速度在200(r/min)左右比較合適。
3.3 Ni-P-納米TiO2化學復合涂層組織結構表征
3.3.1 Ni-P-納米TiO2化學復合涂層的金相分析
圖5是不同沉積液組成和操作條件下制備的Ni-P-納米TiO2復合涂層沉積態(tài)下的金相圖片（X400）。圖（a）、（b）、（c）是添加不同濃度納米TiO2的金相照片，納米復合涂層中由于納米粒子的引入使得涂層的表面較為粗糙，而且隨著納米TiO2濃度的增加，復合涂層的組織越粗大。（a）中可以看出基體上鑲嵌著顆粒，界面結合緊密，分布致密均勻，當加入的TiO2濃度變大時，如圖（c），因鍍液中TiO2顆粒的加入量過多，從圖中可以看到基體上分布著團聚狀態(tài)的顆粒，表明TiO2顆粒在鍍液中沒有分散開來，以聚集態(tài)吸附在試樣上發(fā)生共沉積。隨著沉積液中表面活性劑的增加，復合涂層表面組織更為粗大，表面粗糙度較大，過量的表面活性劑時沉積層組織惡化，納米TiO2復合量降低。
