掺铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）和钴（Co）的壳聚糖对Fe(110)表面腐蚀抑制性能的研究：基于密度泛函理论（DFT）与蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）的结合分析

《Surface and Interface Analysis》：Corrosion Inhibition Properties of Chitosan Doped With Fe, Cu, Zn, and Co on the Fe(110) Surface: A Combined DFT and Monte Carlo Simulation Study

长期腐蚀抑制剂的开发需要关注材料的多孔结构及表面吸附特性。本研究通过DFT/B3LYP/6-311++G(d,p)计算与蒙特卡洛模拟，系统评估了Fe、Cu、Zn、Co掺杂壳聚糖（CS-Fe、CS-Cu、CS-Zn、CS-Co）在气相和液相中的腐蚀抑制机理。结果表明Zn掺杂壳聚糖在Al(111)表面展现出?293,300 kcal/mol的最低吸附能，其形成的致密保护层可显著提升抗腐蚀性能。

　　

摘要

由于腐蚀会对环境和经济造成重大损害，因此需要长期有效的防腐剂。壳聚糖并不是一种具有特定结构的单一聚合物，而是一种由不同大小、单体组成和分布的分子混合而成的物质。本项目的新颖之处在于，它首次利用DFT/B3LYP/6-311++G(d,p)基组，在气相和水相中研究了掺杂了Fe、Cu、Zn和Co的壳聚糖（分别命名为CS、CS-Fe、CS-Zn、CS-Cu和CS-Co）的潜在防腐性能。此外，还通过蒙特卡洛（MC）模拟研究了这些化合物在Fe(110)表面的吸附行为。将MC模拟结果与之前基于DFT的分析结果进行比较后发现：在Fe(110)表面，壳聚糖的HOMO-LUMO能隙较小（0.582 eV），化学硬度较高（0.291 eV），电子转移能力较强（6.209 eV），且表面柔软度为3.432 eV?1。MC模拟结果进一步表明，壳聚糖的吸附作用更为显著，其中CS-Zn抑制剂在气相中的吸附能量最低（-293,300 kcal/mol），这意味着它在Al(111)表面能够通过强键形式与其他金属形成更牢固的螯合结构。简而言之，较高的吸附能量使防腐剂能够牢固地附着在金属表面，从而形成有效的保护层，有效防止或延缓腐蚀过程。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。