用于防腐保护的TiO?-聚合物复合材料：结合了重量分析法、密度泛函理论（DFT）和分子对接技术的研究方法

《Journal of Molecular Liquids》：Hybrid TiO 2–polymer composites for corrosion protection: a combined gravimetric, DFT, and molecular docking approach

绿色腐蚀防护材料纤维素-果胶-TiO?纳米复合材料的开发及其抑制机制研究，通过实验与理论计算证实其优异的缓蚀性能和环保特性。

　　金属腐蚀是工业领域中一个普遍存在的问题，尤其在酸性环境中，如钢铁酸洗、酸化处理以及工业清洗等过程，腐蚀不仅导致严重的经济损失，还可能引发安全隐患。因此，开发高效且环保的腐蚀抑制剂成为材料保护和可持续发展的重要课题。传统的腐蚀抑制剂多采用合成有机或无机化合物，虽然在某些情况下表现出良好的抑制效果，但其毒性、难降解性和环境持久性却带来了诸多负面问题。随着环保意识的增强，研究者们开始关注从天然生物聚合物和植物提取物中开发“绿色”抑制剂。这些材料通常具有可再生性、无毒性和良好的生态兼容性，被认为是未来腐蚀防护技术的重要方向。

近年来，研究重点逐渐转向以纤维素和果胶为基础的生物聚合物复合材料。纤维素是一种天然的多糖，其分子链中富含羟基，这些羟基在金属表面具有良好的吸附能力，有助于形成保护膜并减少金属溶解。果胶作为一种植物来源的多糖，同样富含羧基，能够增强其与金属表面的相互作用，并促进保护膜的形成。研究表明，果胶在酸性环境中可以作为一种有效的抑制剂，其作用机制主要涉及混合型抑制和朗缪尔吸附行为。此外，纳米材料如二氧化钛（TiO?）因其优异的物理化学性质，也被广泛应用于提高抑制剂系统的稳定性、吸附能力和整体性能。虽然已有研究分别探讨了纤维素、果胶以及TiO?纳米材料的性能，但将这三者结合形成复合材料的协同效应仍是一个值得深入研究的领域。

本研究旨在填补这一空白，开发一种基于纤维素-果胶-TiO?纳米材料的绿色复合抑制剂，用于在1M盐酸（HCl）溶液中对低碳钢进行腐蚀防护。通过采用一种可持续的绿色合成方法，将纤维素和果胶的生物活性功能与TiO?纳米颗粒的物理化学稳定性相结合，形成具有多功能特性的复合材料。为了验证该材料的抑制性能，本研究采用了多种实验手段，包括重量分析法、铁离子光谱分析法以及动电位极化法，这些方法能够全面评估抑制剂在不同浓度和温度条件下的性能表现。同时，为了进一步理解其分子层面的作用机制，本研究还结合了密度泛函理论（DFT）等理论计算方法，对复合材料的电子性质、吸附能力和反应特性进行了深入分析。

在实验过程中，采用标准的低碳钢试片进行测试，试片尺寸为2.0cm×2.0cm×0.04cm，其成分（按重量百分比）为：0.03%碳（C）、0.059%铅（Pb）、0.176%锰（Mn）、0.0103%磷（P）、0.034%钒（V）、0.014%铝（Al），其余为铁（Fe）。在实验前，试片经过机械加工和抛光处理，并使用丙酮和双蒸水（DDW）进行彻底清洗，最后在空气中自然干燥。这些处理步骤确保了试片表面的清洁和均匀性，为后续的腐蚀实验提供了可靠的实验基础。

在实验设计中，首先对纤维素-果胶-TiO?复合材料进行了系统的表征，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDAX）。这些分析方法不仅能够确认复合材料的结构组成，还能揭示其表面形态和元素分布情况。通过FTIR分析，可以识别出纤维素和果胶分子中的官能团，如羟基、羧基等，这些官能团在金属表面吸附过程中起到关键作用。SEM图像则有助于观察复合材料的微观结构，评估其形貌是否有利于吸附和膜形成。EDAX分析则用于确定材料中各元素的含量，进一步验证其合成过程是否符合预期。

在腐蚀性能评估方面，本研究采用了重量损失法（gravimetric analysis）、铁离子光谱分析法（spectrophotometric analysis of iron ions）和动电位极化法（potentiodynamic polarization）。重量损失法是一种经典的腐蚀评估方法，通过测量试片在特定时间内的质量变化来计算其腐蚀速率。铁离子光谱分析法则用于检测溶液中溶解的铁离子浓度，从而评估腐蚀过程的抑制效果。动电位极化法则是通过测量金属在腐蚀环境中的电化学行为，如腐蚀电流密度、极化曲线等，来分析抑制剂的保护机制和效率。这些实验方法相互补充，能够从多个角度全面评估纤维素-果胶-TiO?复合材料的腐蚀抑制性能。

为了进一步揭示该复合材料的分子作用机制，本研究还引入了密度泛函理论（DFT）计算方法。DFT是一种基于量子力学的理论工具，能够模拟和预测分子的结构、电子性质以及与其他物质之间的相互作用。通过DFT计算，可以分析纤维素、果胶和TiO?纳米颗粒的电子特性，包括它们的电荷分布、分子轨道能量以及反应活性等。这些信息有助于理解抑制剂在金属表面的吸附行为及其对腐蚀过程的影响。此外，还进行了前线分子轨道（FMO）分析和分子静电势（MEP）分析，这些分析方法能够更深入地揭示复合材料的吸附机制和反应路径。

分子对接模拟（molecular docking simulations）则用于研究复合材料与金属表面之间的相互作用机制。通过模拟分子在金属表面的吸附位置和结合方式，可以评估其对腐蚀过程的抑制效果。研究表明，纤维素-果胶-TiO?复合材料在金属表面表现出较强的吸附倾向，能够形成一层稳定的保护膜，从而有效降低金属的溶解速率和表面损伤程度。这种吸附行为不仅与材料的官能团有关，还受到材料结构、表面形貌以及环境条件（如pH值、温度）的影响。

从实验和理论分析的结果来看，纤维素-果胶-TiO?复合材料在1M HCl溶液中对低碳钢的腐蚀具有显著的抑制作用。随着抑制剂浓度的增加，其抑制效率也相应提高，而随着温度的升高，抑制效率则有所下降。这一现象表明，该复合材料的腐蚀抑制机制主要依赖于物理吸附，而非化学反应。同时，理论计算结果也支持了这一结论，表明复合材料中的各个组分能够通过非共价相互作用在金属表面形成稳定的吸附层，从而减少金属与腐蚀性介质之间的直接接触。

此外，该复合材料的结构和组成对其性能也有重要影响。例如，纤维素和果胶的种类、比例以及TiO?纳米颗粒的粒径和分布都会影响其吸附能力和保护效果。因此，在材料设计过程中，需要综合考虑这些因素，以优化其性能并提高其在实际应用中的可行性。通过合理的材料配比和合成工艺，可以进一步增强复合材料的稳定性、吸附能力和环境友好性，使其更适用于工业领域的腐蚀防护需求。

本研究的综合方法不仅为开发新型绿色腐蚀抑制剂提供了实验依据，还通过理论计算揭示了其分子层面的作用机制。这种实验与理论相结合的研究模式，有助于更深入地理解材料的性能表现，并为后续的材料优化和应用研究奠定基础。同时，本研究的成果也为工业界提供了一种可行的、可持续的腐蚀防护方案，能够有效减少传统合成抑制剂带来的环境负担，提高材料的使用寿命和安全性。

总的来说，纤维素-果胶-TiO?复合材料作为一种新型的绿色腐蚀抑制剂，具有广阔的应用前景。其合成方法环保、性能优异，且能够通过物理吸附和膜形成机制有效抑制金属腐蚀。未来的研究可以进一步探索该材料在不同腐蚀环境中的适用性，并优化其结构和性能，以满足更广泛的应用需求。此外，还可以考虑将其与其他生物材料或纳米材料相结合，开发出更加高效和多功能的腐蚀防护体系。通过持续的研究和创新，绿色腐蚀抑制剂有望成为工业领域中不可或缺的重要组成部分，为实现可持续发展和环境保护提供有力支持。