新型缩水甘油醚亚甲基邻苯二甲酰亚胺环氧树脂GEMP的合成及其在1M HCl中对低碳钢的腐蚀抑制机理研究：综合实验与理论计算分析

针对低碳钢(MS)在酸性环境中的腐蚀问题，研究人员通过合成新型单官能团环氧树脂GEMP，结合FTIR/NMR表征、电化学测试(PDP/EIS)和理论计算(DFT/MD)，证实其在1M HCl中具有86.51%的抑制效率，揭示了氮/氧杂原子与芳香环的协同保护机制，为开发高效环氧基缓蚀剂提供了分子设计依据。

　　

在工业领域，低碳钢(MS)因其优异的机械性能和成本优势被广泛应用，但酸性环境导致的腐蚀问题每年造成巨额经济损失。特别是在石油化工、金属加工等行业中，1M HCl等强酸溶液用于除锈、酸洗等工艺时，会加速金属基材的溶解。传统缓蚀剂多含毒性杂环化合物，而环氧树脂因其独特的粘附性和化学稳定性，近年来被视为环保型缓蚀剂的理想候选。然而，现有研究多聚焦于多官能团环氧树脂，对单官能团环氧树脂GEMP的缓蚀机理尚属空白。

为填补这一研究空白，由Mouna Azogagh领衔的研究团队通过创新性合成缩水甘油醚亚甲基邻苯二甲酰亚胺(GEMP)环氧树脂，采用多尺度研究方法揭示了其在1M HCl中对MS的缓蚀机制。该成果发表于《Journal of Molecular Structure》，首次将单官能团环氧树脂的分子结构特性与缓蚀性能建立定量关联。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振(¹H/¹³C NMR)确认GEMP的化学结构，通过电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化(PDP)评估缓蚀性能，结合扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)表征表面形貌，并运用密度泛函理论(DFT)、COSMO-Sigma电子分布分析和分子动力学(MD)模拟阐明吸附机制。

【Synthesis of glycidyl ether methylene phthalimide】
以N-羟甲基邻苯二甲酰亚胺和环氧氯丙烷为原料，通过亲核取代反应合成GEMP，产物经乙醇重结晶纯化。核磁共振谱中δ=3.7-4.5 ppm的亚甲基质子信号和δ=170 ppm的羰基碳信号证实了目标结构。

【FTIR and NMR analyzes】
FTIR谱中3400-3500 cm^?1的羟基特征峰和1368 cm^?1的酰亚胺C-N振动峰，结合NMR中7.8-8.0 ppm的芳香质子信号，共同验证了GEMP的成功合成。环氧基团在910 cm^?1的特征吸收消失表明树脂固化完全。

【Electrochemical measurements】
EIS测试显示10^?3 M GEMP使电荷转移电阻提升7.3倍，缓蚀效率达86.51%。PDP曲线表明腐蚀电流密度从1.25 mA/cm²降至0.16 mA/cm²，阳极/阴极Tafel斜率同步改变，证实其为混合型缓蚀剂。

【Surface characterization】
SEM显示空白样存在50-100 μm腐蚀坑，而GEMP处理组表面平整；EDS谱中Fe元素含量从72.1%升至89.4%，Cl元素从4.2%降至0.8%，证明缓蚀膜有效阻隔侵蚀性离子。

【Computational studies】
DFT计算表明GEMP的HOMO轨道(-5.42 eV)主要分布在邻苯二甲酰亚胺环，LUMO轨道(-1.98 eV)位于环氧基团，ΔE=3.44 eV的窄能隙利于金属吸附。MD模拟显示GEMP以15.6°倾斜角吸附于Fe(110)晶面，结合能达-235 kJ/mol。

该研究通过实验与理论的深度融合，证实单官能团环氧树脂GEMP通过物理吸附与化学键合双重机制，在MS表面形成致密保护膜。其创新性体现在：首次建立酰亚胺环-环氧基团的协同缓蚀模型；开发出效率达86.5%的环境友好型缓蚀剂；为单官能团环氧树脂的分子设计提供了理论框架。特别是COSMO-Sigma分析揭示的电子局域化特征，以及RDF曲线证实的N/O原子与Fe的配位作用，为新型缓蚀剂的理性设计开辟了新途径。