海葵（Anemone coronaria）与欧洲橡树（Quercus robur）叶片提取物在1 M盐酸溶液中对低碳钢腐蚀的协同作用：电化学与计算研究

《RSC Sustainability》：Synergistic effect between Anemone coronaria and Quercus robur leaf extracts on mild steel corrosion in HCl 1 M solution: electrochemical and computational study

以Anemone coronaria和Quercus robur叶提取物为原料，研究其混合物对1M HCl中 mild steel的腐蚀抑制效果，通过PDP、EIS、SEM、FT-IR及DFT计算验证协同效应，最高抑制效率达95%，形成稳定保护层，吸附符合Langmuir模型，为环保腐蚀抑制提供新方案。

　　金属材料的腐蚀是一个在工业领域中普遍存在的问题，尤其在酸性环境中，如氯化氢（HCl）溶液中，腐蚀现象更为显著。这种腐蚀不仅会导致材料性能下降，还会带来经济上的损失以及对生态环境的威胁。传统上，人们依赖于合成的腐蚀抑制剂，但这些化学物质往往具有毒性，且对人类健康和生态系统构成潜在危害。因此，寻找一种环保、安全且高效的腐蚀抑制方法成为当前研究的重要方向。本研究提出了一种创新性的解决方案，即利用植物提取物作为生态型腐蚀抑制剂，对低碳钢（mild steel）在1 M HCl中的腐蚀行为进行系统评估。

本研究中，选取了两种植物——“冠状风信子”（*Anemone coronaria*，简称AC）和“欧洲橡树”（*Quercus robur*，简称QR）的叶片作为研究对象。这两种植物因其富含生物活性成分，如黄酮类、酚类和单宁酸等，具有显著的抗氧化能力和吸附能力，能够有效形成保护膜，从而减缓金属的腐蚀。同时，它们在生态和药用方面也具有重要价值。本研究不仅评估了这两种植物提取物单独使用时的腐蚀抑制效果，还探讨了它们混合使用后的协同效应。结果显示，当提取物浓度在0.1至0.5 g L?1之间变化时，随着浓度的增加，腐蚀抑制效果显著提升。其中，单独使用AC的抑制效率达到93.66%，QR达到92%，而两者的混合使用则达到了更高的95%，表明其具有显著的协同作用。

为了进一步理解这种协同作用的机制，研究结合了多种分析手段，包括电化学测试（如动电位极化法和电化学阻抗谱）以及表面分析技术（扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱）。电化学测试结果显示，随着抑制剂浓度的增加，金属表面的腐蚀电流密度明显降低，同时腐蚀电位向更正方向偏移，说明抑制剂能够有效减缓金属的溶解和氢气的生成，从而提升其耐腐蚀性。而电化学阻抗谱则通过观察Nyquist图中电容性半圆的变化，表明抑制剂在金属表面形成了一层保护膜，增加了电荷转移电阻，从而降低了腐蚀速率。

扫描电子显微镜（SEM）的观察结果进一步验证了这些电化学变化。当金属暴露于无抑制剂的HCl溶液中时，表面出现了严重的腐蚀现象，表现为凹坑和表面不规则。然而，在添加了AC和QR提取物后，表面变得光滑且缺陷减少，表明抑制剂分子在金属表面形成了有效的吸附层。当两者混合使用时，金属表面的光滑程度和完整性得到了最大提升，说明这种组合能够更全面地覆盖金属表面，形成更致密的保护膜，从而更有效地抑制腐蚀。

此外，研究还通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对提取物的组成成分进行了分析，发现其中含有多种官能团，如羰基、羟基、芳香环、胺基和醚基。这些官能团在金属表面具有较高的亲和力，能够促进分子之间的相互作用，提高吸附效果。通过计算吸附等温线，研究确认了吸附过程符合Langmuir模型，表明抑制剂分子在金属表面形成单层吸附，且吸附行为具有自发性，涉及物理吸附与化学吸附的混合机制。

为了进一步探索分子层面的吸附机制，研究还应用了密度泛函理论（DFT）进行计算。DFT结果表明，AC和QR提取物中的分子与金属表面之间存在强烈的相互作用，这主要体现在它们的电子结构和反应活性上。通过计算分子的电子亲和力、电荷转移特性以及分子软硬参数，研究发现这些提取物的分子具有较低的能量间隙（ΔE），表明其具有较高的反应活性，能够有效地吸附在金属表面。这种吸附机制不仅提高了抑制效率，还增强了金属表面的保护能力，使其在酸性环境中表现出良好的抗腐蚀性能。

在实验设计方面，研究首先对AC和QR的叶片进行了提取。叶片采集自摩洛哥的Boufekrane地区和Beni-Mellal地区，经过清洗、晾干和溶剂提取（使用乙醚）后，得到了浓缩的粗提物。随后，将这些提取物溶解在1 M HCl溶液中，制备不同浓度的测试液，并通过电化学实验和表面分析技术评估其对金属腐蚀的抑制效果。研究还探讨了温度对腐蚀抑制过程的影响，发现随着温度的升高，虽然腐蚀速率加快，但抑制效率有所下降。这一现象可能与抑制剂分子在高温下的部分脱附有关，导致保护层的稳定性降低，从而影响其对金属的保护能力。

综合来看，AC和QR提取物的协同使用为解决金属在酸性环境中的腐蚀问题提供了一种全新的、可持续的解决方案。这种天然提取物不仅具有较高的抑制效率，还表现出良好的生物降解性和低环境影响，符合绿色化学的基本原则。研究还表明，该提取物在工业应用中具有广泛前景，尤其是在需要控制腐蚀的化工、冶金和材料科学领域。通过使用这些植物提取物，不仅可以减少对有害化学品的依赖，还能降低对环境的污染，为实现联合国可持续发展目标（如SDG 9、SDG 12和SDG 13）提供支持。

此外，研究还比较了其他植物提取物在类似条件下的抑制效果，发现AC与QR的混合使用在抑制效率方面优于单独使用。这表明，不同植物提取物之间具有互补的化学成分，能够通过协同作用增强其整体的抑制能力。这种协同机制不仅体现在分子层面的吸附行为上，还涉及表面覆盖和电荷转移的多重影响。通过这些研究，我们可以更深入地理解天然提取物在腐蚀抑制中的作用机制，为开发更加环保的工业防腐技术提供理论依据和实验支持。