乙醇汽油中咪唑啉类化合物对Q235钢的腐蚀抑制机制：多尺度实验与理论计算研究

研究人员针对乙醇汽油(EGBs)对Q235钢的腐蚀问题，系统研究了2-苯基咪唑啉(PI)、2-十一烷基咪唑啉(UI)和油酸咪唑啉(OI)三种咪唑啉类缓蚀剂的保护机制。通过电化学测试结合SEM/AFM/XPS表征，发现5×10?3?Mol·L?1浓度下缓蚀效率超90%，揭示了平行/垂直吸附构效关系，为新能源储运设备防护提供理论支撑。

　　

随着全球能源结构转型加速，乙醇汽油(EGBs)作为典型可再生燃料在减排领域展现巨大潜力。这种含3%-15%乙醇的混合燃料虽能降低CO和NO_X排放，却因乙醇的强吸湿性引发严峻的金属腐蚀问题——研究表明，碳钢储罐在EGBs中的腐蚀速率可达普通汽油的5倍，其中Q235钢作为输油管道主流材料，其表面氧化层易被有机酸破坏形成腐蚀电偶。更棘手的是，微生物代谢产物与水分协同作用会加速点蚀发展，威胁能源基础设施安全。传统缓蚀剂在非水体系效果有限，亟需开发适配生物燃料的新型防护策略。

针对这一技术瓶颈，研究人员通过多学科交叉方法揭示了咪唑啉类化合物的缓蚀机制。采用电化学工作站测定极化曲线，发现三种抑制剂均属阳极型缓蚀剂，能使腐蚀电位E_corr正移120-160?mV。结合量子化学计算证实，咪唑环氮原子与Fe²⁺形成配位键是吸附核心，其中PI和OI通过π电子共轭体系平行吸附，UI则通过烷基链垂直锚定。特别值得注意的是，5?mM浓度下接触角测试显示疏水角提升至102°，XPS谱图中N1s峰结合能位移证实了Fe-N配位键形成，这与分子动力学模拟中-35.2?kJ·mol^?1的吸附能高度吻合。

关键技术方法包括：电化学阻抗谱(EIS)分析电荷转移电阻变化，扫描电镜(SEM)观测表面形貌，原子力显微镜(AFM)定量粗糙度参数，X射线光电子能谱(XPS)解析元素化学态，以及密度泛函理论(DFT)计算前线轨道能级。

【材料】
实验选用市售Q235钢(含0.18%?C)模拟实际工况材料，通过标准金相制备流程获得1?cm²工作面，EGBs溶液按国标GB?18351配置含3%模拟污染物(SL)的E50燃料。

【宏观形貌】
7天浸泡实验显示，空白组试样出现黑色溃疡状腐蚀，而添加5?mM?PI组仅见轻微变色。三维形貌重建表明，缓蚀剂使平均粗糙度(R_a)从1.2?μm降至0.3?μm。

【电化学分析】
塔菲尔曲线拟合显示缓蚀效率η排序为OI(93.4%)>PI(91.2%)>UI(90.1%)，EIS谱图证实电荷转移电阻R_ct提升两个数量级，符合Langmuir吸附模型。

【表面表征】
高分辨XPS在711.2?eV处检测到Fe?2p_3/2特征峰，证明形成γ-Fe₂O₃保护层。AFM相图显示抑制剂覆盖区域模量提升47%，对应最大吸附厚度12.8?nm。

该研究创新性地构建了"分子结构-界面吸附-防护效能"的构效关系模型，证实油酸咪唑啉(OI)因双活性位点展现最优性能。这一发现不仅为新能源基础设施防护材料设计提供新思路，其建立的EIS-DFT联合分析方法更适用于其他非水体系缓蚀剂开发。论文成果发表于《Journal?of?Molecular?Liquids》，对保障碳中和背景下的能源安全具有重要实践价值。