综述：十八烷基二甲基甜菜碱与十八烷基三甲铵氯化物作为二氯乙酸中钢腐蚀抑制剂的对比研究

《Journal of Molecular Structure》：A comparative study of octadecyl dimethyl betaine and octadecyl trimethyl ammonium chloride as corrosion inhibitors for steel in dichloroacetic acid

本研究对比了两种结构相似的表面活性剂BS-18和OTAC在0.1M DCA溶液中的腐蚀抑制性能，通过量子化学计算和分子动力学模拟发现BS-18电子交换能力更强，但实验表明OTAC在低浓度或高温下表现更优，因其形成的配位复合物显著降低表面张力并增强吸附。

　　本研究围绕两种结构相似的表面活性剂——十八烷基二甲基甜菜碱（BS-18）和十八烷基三甲基氯化铵（OTAC）在0.1 M二氯乙酸（DCA）溶液中的腐蚀抑制性能展开。通过量子化学计算和分子动力学模拟相结合的方法，对这两种表面活性剂的电子结构、吸附行为和结合能特性进行了系统分析。同时，利用失重实验、电化学测试以及表面分析技术，对它们在DCA环境下的实际抑制效果及其作用机制进行了深入探讨。本研究首次揭示了在相同的腐蚀条件下，BS-18与OTAC之间性能差异的根源。

在工业应用中，钢铁设备在酸性环境中的腐蚀问题尤为严重。酸性环境在制药、化学合成和工业酸洗等过程中发挥着重要作用，尤其是二氯乙酸（DCA）。相较于硫酸（H?SO?）或盐酸（HCl），DCA不仅具有更高的酸洗效率，而且在工业酸洗过程中不会产生酸雾。然而，由于其对钢铁的强腐蚀性，开发高效的腐蚀抑制剂以缓解DCA对钢铁的腐蚀具有重要意义。

表面活性剂因其高效性和低毒性，在酸洗过程中被广泛用作腐蚀抑制剂。这些表面活性剂通常由亲水基团和疏水基团组成，它们在腐蚀抑制过程中发挥着关键作用。研究表明，表面活性剂的抑制性能受到多种因素的影响，包括疏水链的长度、异原子的种类以及卤离子与季铵盐之间的协同效应。氧（O）、氮（N）和硫（S）原子以及芳香环能够通过吸附在金属表面形成保护膜，从而起到抑制腐蚀的作用。通常情况下，抑制效率（η%）的高低顺序为O < N < S < P。与传统的表面活性剂相比，两性表面活性剂如甜菜碱具有至少两个或更多吸附位点，表现出多齿配体的特性。此外，两性表面活性剂如甜菜碱不仅在任意pH值下都具有良好的溶解性，而且由于其自身带电，有助于实现更快更有效的物理吸附过程。因此，两性表面活性剂常被视为高效的腐蚀抑制剂。

另一类表面活性剂——季铵盐，能够通过有机阳离子与卤离子（如Cl?）之间的离子对相互作用，提高对金属表面的覆盖度，从而在极低浓度下也能实现优异的抑制效果。值得注意的是，Cl?既能引发点蚀，也能与季铵盐及其他抑制剂产生协同效应。那么，这种协同效应是否比在抑制剂分子上增加活性位点更有意义呢？

在实际应用中，腐蚀抑制剂的性能通常通过量子化学（QC）计算和分子动力学（MD）模拟进行评估。量子化学计算通过分析最高占据分子轨道（HOMO）、最低未占据分子轨道（LUMO）以及能量间隙（ΔE）等参数，有助于评估抑制剂分子的电子供体/受体能力和化学反应性。这些结构-活性关系已在多种体系中得到验证，包括噻唑衍生物、咪唑??离子液体、喹喔啉基丙酮、壳聚糖衍生物、三嗪衍生物以及双子表面活性剂等。同时，分子动力学模拟能够提供在显式溶剂环境中抑制剂在金属表面的界面行为、吸附构型和结合能信息，从而从动态和空间角度对腐蚀抑制过程进行深入分析。因此，量子化学与分子动力学的结合常被视为预测腐蚀抑制性能的重要工具。

然而，这些理论方法的预测准确性并不总是可靠。尽管对于有机化合物的同系物，理论与实验之间常常表现出良好的一致性，但在不同类型的抑制剂中，其适用性可能受到结构相似性的高度依赖。此外，大量研究表明，量子化学参数与实际的腐蚀抑制行为之间可能存在弱或不明显的相关性。这种差异可能源于复杂的溶液化学，例如抑制剂与酸之间的复合物形成或界面处的多组分协同吸附。因此，有必要研究这些实际、环境依赖的相互作用如何导致理论预测与实验抑制效率之间的差距。

本研究选择了两种结构相似的化合物——BS-18和OTAC作为模型抑制剂。采用量子化学计算与分子动力学模拟相结合的方法，对它们的电子结构、吸附行为和结合能特性进行了系统分析。同时，利用失重实验、电化学测试以及表面分析技术，对它们在DCA环境下的实际抑制效果及其作用机制进行了深入研究。本研究首次揭示了在相同的腐蚀条件下，BS-18与OTAC之间性能差异的根源。

在实验中，两种表面活性剂在20°C和5 mg/L的浓度下均表现出优异的抑制性能，BS-18和OTAC的抑制效率分别达到了92.79%和92.78%。然而，在较低浓度或较高温度下，OTAC表现出更优越的性能。这一现象可能与OTAC衍生的离子在DCA溶液中形成配位复合物有关，从而显著降低表面张力（σ）并增强界面活性。进一步的吸附能和径向分布函数分析表明，BS-18对Fe(110)晶面具有更强的亲和力，而Cl?离子则为OTAC阳离子的吸附提供了额外的活性位点，从而促进了其更强的附着能力。实验与理论预测之间的差异可能源于OTAC与DCA溶液之间形成的复合物，降低了表面张力，以及OTAC与Cl?在钢表面的协同吸附。

在分子结构方面，BS-18和OTAC都含有一个由18个碳原子组成的长烷基链，它们的亲水头基均包含一个带正电的氮原子。两者的差异在于，OTAC是一种含Cl?的季铵盐，而BS-18则包含一个羧基（COO?）。因此，与OTAC相比，BS-18具有两个额外的O活性位点。这些活性位点的存在可能对表面活性剂的吸附行为和腐蚀抑制能力产生重要影响。例如，BS-18的较低能量间隙表明其具有更强的电子交换能力，从而有助于实现更高的腐蚀抑制效果。而OTAC由于含有Cl?，其离子在DCA溶液中能够形成配位复合物，这不仅有助于降低表面张力，还可能增强其在金属表面的吸附能力。

从实验数据来看，BS-18和OTAC在相同的测试条件下表现出相似的抑制性能，但在不同的浓度和温度条件下，其效果存在差异。这种差异可能与溶液化学的复杂性有关，例如离子的相互作用和吸附行为的改变。此外，实验结果还表明，Cl?在OTAC的协同作用中发挥了重要作用，可能通过提供额外的活性位点来增强其在金属表面的吸附能力。这种协同吸附可能对腐蚀抑制效果产生显著影响，特别是在高浓度或高温度条件下。

为了更全面地理解这些表面活性剂的抑制机制，本研究采用了多种分析方法。量子化学计算用于分析BS-18和OTAC的电子结构，包括HOMO、LUMO和能量间隙等参数。这些参数能够提供关于抑制剂分子的电子供体/受体能力和化学反应性的信息，从而帮助评估其腐蚀抑制性能。同时，分子动力学模拟用于研究这些表面活性剂在显式溶剂环境下的吸附行为和结合能特性，从而提供动态和空间角度的分析。这些方法的结合使得研究人员能够更系统地理解腐蚀抑制过程中的关键因素。

此外，实验测试方法如失重实验和电化学测试也对抑制剂的性能进行了评估。失重实验通过测量金属在腐蚀介质中的质量损失来评估抑制剂的保护效果，而电化学测试则通过分析腐蚀电流密度、极化曲线等参数来评估抑制剂的抑制能力。这些实验数据能够为理论计算提供验证，同时也能够揭示实际应用中的一些关键问题。

在研究过程中，研究人员发现，尽管BS-18和OTAC在相同的测试条件下表现出相似的抑制性能，但在不同的浓度和温度条件下，其效果存在差异。这种差异可能与溶液化学的复杂性有关，例如离子的相互作用和吸附行为的改变。因此，有必要进一步研究这些环境依赖的相互作用如何影响腐蚀抑制效果。

从实验数据来看，BS-18和OTAC在20°C和5 mg/L的浓度下均表现出优异的抑制性能，其抑制效率分别达到了92.79%和92.78%。然而，在较低浓度或较高温度下，OTAC表现出更优越的性能。这一现象可能与OTAC衍生的离子在DCA溶液中形成配位复合物有关，从而显著降低表面张力（σ）并增强界面活性。此外，Cl?离子可能为OTAC阳离子的吸附提供了额外的活性位点，从而促进了其更强的附着能力。

进一步的吸附能和径向分布函数分析表明，BS-18对Fe(110)晶面具有更强的亲和力，而Cl?离子则为OTAC阳离子的吸附提供了额外的活性位点。这种吸附行为的差异可能对两种表面活性剂的腐蚀抑制效果产生重要影响。例如，BS-18的较强吸附能力可能与其较高的亲和力有关，而OTAC的较强吸附能力可能与其额外的活性位点有关。

实验与理论预测之间的差异可能源于OTAC与DCA溶液之间形成的复合物，这不仅降低了表面张力，还可能影响吸附行为。因此，有必要进一步研究这些环境依赖的相互作用如何影响腐蚀抑制效果。

在实际应用中，腐蚀抑制剂的性能不仅受到其化学结构的影响，还受到环境条件的显著影响。例如，温度和浓度的变化可能对表面活性剂的吸附行为和抑制效果产生重要影响。因此，有必要对这些环境依赖的相互作用进行深入研究，以更好地理解腐蚀抑制过程中的关键因素。

本研究的成果不仅有助于理解BS-18和OTAC在DCA环境下的腐蚀抑制机制，还为开发新型高效腐蚀抑制剂提供了理论依据。通过结合量子化学计算和分子动力学模拟，研究人员能够更系统地分析腐蚀抑制剂的电子结构和吸附行为，从而揭示其在不同环境条件下的性能差异。此外，实验测试方法如失重实验和电化学测试也对抑制剂的性能进行了评估，为理论研究提供了验证。

在工业应用中，理解腐蚀抑制剂的性能差异对于优化其使用条件和提高其抑制效果具有重要意义。例如，在不同的浓度和温度条件下，选择合适的抑制剂可以提高其抑制效率，从而降低腐蚀风险。因此，有必要对这些环境依赖的相互作用进行深入研究，以更好地指导实际应用。

此外，本研究的成果还可能对其他类型的腐蚀抑制剂的研究提供参考。例如，不同结构的表面活性剂可能在不同的环境条件下表现出不同的性能，因此有必要对这些因素进行系统分析。通过结合量子化学计算和分子动力学模拟，研究人员能够更全面地理解腐蚀抑制剂的性能差异，并为开发新型高效抑制剂提供理论支持。

在研究过程中，研究人员还发现，Cl?离子在OTAC的协同作用中发挥了重要作用。这种协同作用可能对OTAC的吸附行为和抑制效果产生显著影响。因此，有必要进一步研究Cl?离子在不同类型的抑制剂中的作用，以更好地理解其对腐蚀抑制效果的影响。

总之，本研究通过量子化学计算和分子动力学模拟相结合的方法，对BS-18和OTAC在DCA环境下的腐蚀抑制性能进行了系统分析。实验数据表明，这两种表面活性剂在相同的测试条件下表现出相似的抑制性能，但在不同的浓度和温度条件下，其效果存在差异。这种差异可能与溶液化学的复杂性有关，例如离子的相互作用和吸附行为的改变。因此，有必要进一步研究这些环境依赖的相互作用如何影响腐蚀抑制效果，以更好地指导实际应用。