利用大蒜提取物在H2SO4介质中对铜进行可持续的腐蚀防护：实验与理论方法

《Hybrid Advances》：Sustainable Corrosion Protection of Copper in H 2SO 4 Medium Using Garlic Extract: Experimental and Theoretical Approaches

本研究旨在探讨摩洛哥大蒜提取物对铜在0.5M硫酸环境中的腐蚀抑制性能。通过电化学测量、表面分析及DFT计算，发现提取物含有丰富多酚和黄酮类化合物，抑制效率达94%，主要通过物理吸附形成保护层，电子转移作用显著，表明其作为环保抗腐蚀剂的潜力。

　　### 解读：一种植物提取物对铜在硫酸环境中的抗腐蚀性能研究

在现代社会中，铜作为一种广泛应用的金属，其优异的导电性和热稳定性使其成为工业、电子、建筑和化学领域不可或缺的材料。然而，铜在酸性环境中的腐蚀问题一直是一个技术挑战，尤其是在工业生产中常见的硫酸介质中。传统的方法虽然在一定程度上能够解决这一问题，但往往伴随着高成本、环境毒性以及对生态系统的潜在危害。因此，寻找一种环保、有效且经济的替代品，成为近年来腐蚀防护研究的重要方向。本研究聚焦于一种来自摩洛哥的植物提取物——大蒜（*Allium sativum*），探讨其在硫酸环境中对铜腐蚀的抑制效果，并分析其化学成分与作用机制。

#### 1. 大蒜提取物的化学组成与潜在抗腐蚀能力

大蒜是一种常见的植物，以其丰富的生物活性成分而闻名，这些成分包括多酚类、黄酮类、硫化物和多种有机酸。这些化合物具有抗氧化、抗菌和抗腐蚀等特性，可能通过与金属表面的相互作用，形成保护膜，从而减缓腐蚀过程。通过实验，研究人员发现大蒜提取物中含有多种具有潜在抗腐蚀能力的化合物，如抗坏血酸、没食子酸、香草醛、醌和槲皮素等。这些化合物的结构和电子特性与传统的有机腐蚀抑制剂相似，能够通过物理吸附和化学吸附两种机制在金属表面形成保护层，有效防止铜的氧化和溶解。

在实验过程中，大蒜提取物的制备采用了水-甲醇混合溶剂，以确保提取物中包含尽可能多的生物活性成分。经过48小时的持续搅拌和过滤，提取物被浓缩并储存在低温环境中，以便后续使用。这种提取方法不仅能够保留提取物中的活性成分，还能提高其纯度，为后续的实验研究奠定基础。

#### 2. 电化学分析：大蒜提取物的抗腐蚀性能

为了评估大蒜提取物的抗腐蚀能力，研究人员采用了电化学方法，包括动电位极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）。实验结果显示，在0.5 M硫酸溶液中，大蒜提取物能够显著降低铜的腐蚀电流密度，从而提高其抗腐蚀效率。具体而言，当提取物浓度达到2 g/L时，其抗腐蚀效率高达94%，表明其具有很强的保护作用。

动电位极化曲线分析表明，大蒜提取物的加入改变了铜的腐蚀电位，并且其对阴极和阳极反应均具有抑制作用。这意味着，提取物能够同时减缓铜的氧化和溶解过程，从而有效延缓其腐蚀。进一步的EIS分析表明，提取物在铜表面形成了一层稳定的保护膜，显著提高了界面的阻抗，使得电子转移受到阻碍，从而减缓了腐蚀反应的进行。

#### 3. 表面形态与成分分析：确认提取物的保护效果

为了进一步验证电化学分析的结果，研究人员采用了扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDX）技术，对铜表面在硫酸溶液中暴露前后的变化进行了观察。SEM图像显示，未添加提取物的铜表面出现了明显的腐蚀痕迹，而添加了提取物的铜表面则覆盖了一层保护膜，有效防止了进一步的腐蚀。

EDX分析结果进一步证实了这一现象。在未添加提取物的铜表面，氧含量较高，表明发生了明显的氧化反应，而添加了提取物的铜表面氧含量显著降低，铜含量相应增加。这表明，提取物能够有效地阻止铜与酸性溶液的反应，从而减少氧化和腐蚀的发生。此外，碳含量的增加也表明，提取物中的有机成分可能在铜表面形成了稳定的吸附层，进一步增强了其抗腐蚀能力。

#### 4. 热力学参数分析：揭示吸附机制

为了深入理解大蒜提取物对铜的吸附机制，研究人员分析了相关的热力学参数，包括活化能和吸附热。这些参数能够提供关于吸附过程是物理吸附还是化学吸附的重要信息。结果显示，大蒜提取物的吸附主要以物理吸附为主，但也包含一定的化学吸附成分，这表明其作用机制是多方面的。

活化能的增加表明，提取物能够提高腐蚀反应的能量壁垒，从而减缓反应速率。同时，吸附热的负值表明，吸附过程是放热的，这可能意味着吸附行为受到热力学驱动力的影响。这些结果不仅揭示了提取物的吸附机制，还为其在实际应用中的稳定性提供了理论支持。

#### 5. DFT计算：揭示分子间的相互作用

为了进一步探讨大蒜提取物中各个化合物与铜表面之间的相互作用，研究人员采用了密度泛函理论（DFT）计算。DFT计算结果表明，这些化合物具有电子供体和受体的特性，能够通过分子轨道分析（HOMO-LUMO）和分子静电势（MEP）揭示其在金属表面的吸附行为。

HOMO（最高占据分子轨道）和LUMO（最低未占据分子轨道）的分析表明，这些化合物能够通过电子供体机制与铜表面发生相互作用，形成稳定的吸附层。此外，MEP分析进一步证实了这些化合物在铜表面的吸附位置和电子密度分布，从而揭示了其在腐蚀防护中的作用。这些结果表明，大蒜提取物中的多种化合物能够协同作用，形成更有效的保护膜，从而提高其抗腐蚀性能。

#### 6. 温度对抑制效果的影响

研究人员还评估了温度对大蒜提取物抗腐蚀性能的影响。实验结果表明，在不同的温度条件下，提取物的抑制效果有所变化。在298 K（25°C）至328 K（55°C）之间，随着温度的升高，提取物的抗腐蚀效率略有下降，但依然保持在80%以上。这表明，尽管温度升高可能影响吸附层的稳定性，但大蒜提取物仍能提供有效的保护。

此外，温度对腐蚀电流密度的影响也显示出，提取物能够显著减缓铜的腐蚀速率。即使在高温条件下，其对铜的保护作用仍然有效，这为其在实际应用中的耐温性提供了支持。这些结果表明，大蒜提取物不仅在常温下表现出优异的抗腐蚀性能，而且在较宽的温度范围内也具有良好的稳定性。

#### 7. 与其他植物提取物的比较

为了评估大蒜提取物在抗腐蚀领域的竞争力，研究人员将其与一些其他植物提取物进行了比较。例如，*Rhododendron simsii*叶提取物在相同条件下表现出高达92.6%的抗腐蚀效率，而*Glycyrrhiza uralensis*叶提取物在碘离子辅助下达到99.3%的抑制效率。相比之下，大蒜提取物在0.5 M硫酸溶液中表现出94%的抗腐蚀效率，这一结果与上述植物提取物的性能相当。

此外，*Polygonum aviculare*、罗克布奇梨、*Aloysia triphylla*和*Benincasa hispida*等植物提取物也显示出超过90%的抗腐蚀效率。这些研究结果表明，植物提取物在抗腐蚀领域具有广泛的应用前景，而大蒜提取物作为其中的一种，具有独特的化学成分和优异的保护性能。

#### 8. 研究的意义与展望

本研究不仅揭示了大蒜提取物在酸性环境中的抗腐蚀能力，还为其在实际工业中的应用提供了理论支持。通过电化学分析、表面分析和DFT计算，研究人员全面评估了大蒜提取物的性能，并确认了其作为绿色抗腐蚀剂的潜力。与传统合成抑制剂相比，大蒜提取物具有成本低、可再生和环境友好等优点，为开发新型、可持续的抗腐蚀技术提供了新的思路。

未来的研究可以进一步探讨大蒜提取物在不同腐蚀环境中的应用，例如在海洋、土壤或酸性废水处理等场景中。此外，还可以研究其与其他材料的协同作用，以提高其保护效果。同时，优化提取方法和浓度，以提高其在实际应用中的稳定性，也是值得进一步探索的方向。

总之，本研究为植物提取物在抗腐蚀领域的应用提供了坚实的理论基础和实验支持，同时也为开发绿色、可持续的金属保护技术开辟了新的途径。大蒜提取物作为一种天然来源的抗腐蚀剂，具有广阔的应用前景，有望在未来的工业防腐领域发挥重要作用。