近日，中國科學院海洋研究所科研團隊在海洋設施光電陰極保護材料領域取得重要進展。該研究以題為“Long-term photoinduced sustained cathodic protection enabled by a h-WO3/m-WO3/TiO2/ZnIn2S4multi-phase junction layer with enhanced charge separation and electron storage”的論文發表于工程技術領域頂級期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=13.2）。致真精密儀器AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡的開爾文探針力顯微鏡（KPFM）技術，通過證實復合材料高效的電荷分離，為闡明其陰極保護機理提供了關鍵證據。

▲論文所使用儀器：致真精密儀器AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡；(a-c) WO?、WO?/TiO?和WO?/TiO?/ZnIn?S?的AFM形貌圖；(d-f) 暗態及(g-i) 光照下的KPFM電勢圖

嚴酷的海洋腐蝕嚴重危害海洋設施的結構可靠性與服役壽命。光誘導陰極保護（PICP）作為一種利用豐富太陽輻射的太陽能驅動原位防腐策略，前景廣闊，但其實際應用仍受限于低電荷轉移效率及在黑暗條件下缺乏保護。

本研究通過低溫液相沉積及水熱合成法，合理構建了WO?/TiO?/ZnIn?S?多相異質結光陽極材料。在此架構中，TiO?納米顆粒作為穩健的界面層，增強了ZnIn?S?在WO?納米片上的錨定，并與兩者形成階梯式能帶排列。h-WO?/m-WO?同質異相結提供了高效的電子存儲基礎，而TiO?/ZnIn?S?界面則建立了S型電荷轉移路徑。SEM與截面分析證實了該復合電極成功形成了層次分明的多層結構，各層間接觸緊密。

▲(a) WO?/TiO?/ZnIn?S?光電極合成過程示意圖；(b) WO?、WO?/TiO?、WO?/TiO?/ZnIn?S?和ZnIn?S?的XRD圖譜；(c-e) WO?、WO?/TiO?和WO?/TiO?/ZnIn?S?光電極的SEM圖像；(f) WO?/TiO?/ZnIn?S?截面圖；(g) 不同退火溫度下WO?的XRD圖譜和(h) 光致開路電位曲線。

該WO?/TiO?/ZnIn?S?復合薄膜在模擬太陽照射下，為316 L SS提供431 mV的OCP負移及39 μA cm?2的光電流密度。尤為突出的是，在無需任何犧牲劑的模擬海水環境中，該復合薄膜在2小時光照后，能為316 L SS提供長達18小時的持續陰極保護。

▲(a) 各光電極與316L不銹鋼耦合體系的混合電位及(b) 光生電流密度變化；(f) 316L不銹鋼與WO?/TiO?/ZnIn?S?耦合體系的長時間OCP測試

通過原位開爾文探針力顯微鏡（KPFM，基于致真精密儀器AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡平臺）測試表明，WO?/TiO?/ZnIn?S?復合電極在光照下產生最大的表面接觸電位差（CPD）正移（682 mV），證實了其最優異的電荷分離效率。這一現象揭示了光生載流子的遷移路徑和分離行為：光生電子更易遷移至FTO基底，而空穴富集于表面，表現出更高的載流子分離效率和去極化活性。結合能帶結構與理論計算，該優異性能源于異質結通過協同的II型和S型能帶排列促進界面電荷轉移，其中S型異質結保留了ZnIn?S?導帶中具有更強還原能力的光生電子，而II型異質結與h-WO?/m-WO?同質結則共同驅動了電子的定向分離與存儲，從而闡明了其優異光生陰極保護性能的內在機制。

該研究通過多相異質結工程與能帶結構優化，成功解決了傳統 PICP 材料黑暗態防護缺失的關鍵問題，為海洋防腐蝕材料的設計提供了新思路。所制備的復合薄膜兼具高效光吸收、快速電荷分離與長效電子存儲功能，在船舶、海洋平臺等海洋工程設施的腐蝕防護領域具有廣闊應用前景，同時為其他黑暗活性光催化系統的開發提供了重要參考。

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