将废物转化为财富：一种环保且高效的含氮碳点抑制剂，由Macadamia integrifolia果壳制备而成

《Journal of Materials Science & Technology》：Turning waste into treasure: An eco-friendly and high-efficiency N-containing carbon dots inhibitor prepared from Macadamia integrifolia shell

生物质碳点通过石墨结构及表面官能团协同抑制冷轧钢酸腐蚀，机理包含物理吸附、化学吸附及Fe2?螯合作用，制备工艺为水热法，原料为澳洲坚果壳，抑制效率达92.5%，为绿色腐蚀防护提供新策略。

　　本文介绍了一种利用澳洲坚果（Macadamia integrifolia）壳作为原料制备生物碳点（MI-BCDs）的新方法，并探讨了其在金属腐蚀抑制中的应用。研究表明，MI-BCDs具有丰富的表面活性基团，且其结构类似于石墨烯，平均粒径为2.4纳米，这使得它们在酸性环境中表现出良好的吸附性能和腐蚀抑制能力。通过实验和理论分析，本文揭示了MI-BCDs在冷轧钢（CRS）表面的吸附机制，包括物理吸附、化学吸附以及螯合吸附等过程。这些吸附机制共同作用，形成了一层保护膜，有效抑制了金属在酸性溶液中的阴极和阳极腐蚀反应。此外，MI-BCDs在酸性条件下带有负电荷，而吸附后钢表面则因质子化反应形成正电荷，这种电荷差异有助于MI-BCDs通过静电作用吸附在金属表面。同时，MI-BCDs中富含的杂原子和共轭结构使其能够与金属表面发生化学反应，形成更牢固的吸附。这种结合多种吸附机制的方式，不仅提高了MI-BCDs的腐蚀抑制效率，还展现了其在绿色可持续发展中的潜力。

在工业生产中，金属材料如钢广泛应用于各种设备，但其在长期使用过程中容易发生腐蚀。腐蚀不仅会影响材料的使用寿命，还会对环境造成严重影响，尤其是在酸性清洗过程中。传统上，人们使用一定浓度的无机酸（如盐酸、硫酸）进行酸洗，以去除金属表面的污垢和锈迹。然而，强酸在清洗过程中具有腐蚀性，容易导致金属基体的过度蚀刻。此外，清洗剂与金属之间的化学反应还会产生氢气，从而引发氢脆问题。这些问题不仅影响了金属材料的性能，还增加了碳排放，因此在酸洗液中添加腐蚀抑制剂已成为必要措施。

当前的腐蚀抑制剂多为有机结构，通常含有氮、硫、氧、磷等杂原子，以及双键、三键、芳香环、杂环等官能团。这些传统抑制剂虽然在某些情况下有效，但往往存在水溶性差、毒性高等问题。因此，研究者们开始关注新型的绿色腐蚀抑制剂，如碳点（CDs）。碳点因其小尺寸、丰富的功能基团、良好的分散性和易于表面修饰等特性，吸引了广泛的研究兴趣。它们在环境监测、生物成像、加密信号、医药、白光发光二极管等众多领域均有应用。由于碳点的结构主要由碳和氢组成，杂原子掺杂是研究其腐蚀抑制性能的重要手段。已有研究显示，通过氮和硫共掺杂的碳点（N,S-CDs）在盐酸环境中对碳钢的腐蚀抑制效率高达96.4%，且其性能具有持久性。此外，通过铜诱导的化学钝化，碳点还能在金属表面形成保护膜，从而有效抑制腐蚀反应。

生物来源的碳量子点（BCQDs）在合成过程中自然获得杂原子自掺杂特性，这使得它们相较于传统前驱体具有更优越的功能性能。例如，有研究利用南瓜种子制备了三功能杂原子掺杂的碳量子点（N,P,S-CQDs），这些碳点通过丰富的羟基基团增强了S/N/P基团在金属表面的化学吸附能力。其在酸性环境中的腐蚀抑制效率显示出浓度依赖性，且在不同浓度下均表现出良好的保护性能。此外，利用葡萄柚果皮作为前驱体，通过水热法合成的BCQDs也被应用于酸性环境中的绿色腐蚀抑制。研究表明，这些碳点具有约5纳米的粒径，并且含有碳、氧和氮元素。在特定条件下，它们能有效保护Q235钢，且在某些浓度下表现出较高的抑制效率。

在这一背景下，本文选择了澳洲坚果壳作为原料，通过水热法合成了一种新型的碳点（MI-BCDs）。实验结果表明，MI-BCDs具有类似于石墨烯的结构，且其粒径较小，分布均匀，呈现出近似球形的形态。通过高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和原子力显微镜（AFM）等技术，研究人员进一步验证了MI-BCDs的微观结构和粒径特性。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-vis）和荧光光谱（FS）等光谱技术，以及X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）等表面探针技术，对MI-BCDs的结构和吸附机制进行了深入分析。X射线衍射（XRD）和高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）等晶体学分析方法也用于确认MI-BCDs的结构特性。结合电化学和重量损失测试，研究人员进一步揭示了MI-BCDs在金属表面的吸附行为及其对腐蚀反应的抑制效果。

MI-BCDs的结构特点使其在酸性环境中具有独特的吸附能力。它们含有氨基、羰基等活性基团，容易发生质子化反应，从而在金属表面形成物理吸附。此外，由于酸性环境中氢离子浓度较高，这进一步增强了MI-BCDs的质子化反应，使其表面带有负电荷。这种负电荷与金属表面的正电荷之间形成静电吸引，从而促进物理吸附。同时，MI-BCDs中丰富的杂原子和共轭结构使其能够与金属表面发生化学反应，形成更牢固的吸附。这种结合物理吸附和化学吸附的方式，使得MI-BCDs在金属表面能够形成一层致密的保护膜，从而有效抑制腐蚀反应。

在实验过程中，研究人员采用了多种表征手段来全面分析MI-BCDs的结构和性能。例如，高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）显示，MI-BCDs具有明显的晶体结构和晶格间距，接近于石墨烯的（100）晶面衍射。此外，原子力显微镜（AFM）进一步验证了MI-BCDs的粒径特性，其平均直径约为2.5纳米，与HR-TEM的结果相符。通过X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）等技术，研究人员还分析了MI-BCDs表面的化学组成和吸附行为。同时，利用电化学测试方法，如极化曲线和电化学阻抗谱（EIS），进一步评估了MI-BCDs在酸性环境中的腐蚀抑制性能。实验结果显示，MI-BCDs在40°C下，浓度为300 mg/L时，其腐蚀抑制效率达到了92.5%，显示出较高的性能。

此外，本文还探讨了MI-BCDs在金属表面吸附机制的理论基础。通过Materials Studio软件，研究人员构建了MI-BCDs可能的石墨烯类结构，并模拟了其活性位点和吸附配置。这些模拟结果有助于理解MI-BCDs在金属表面的吸附行为，为开发新型的生物碳点腐蚀抑制剂提供了理论支持。同时，将澳洲坚果壳转化为腐蚀抑制剂，不仅实现了废弃物的资源化利用，还减少了环境污染，符合绿色可持续发展的理念。

在实际应用中，MI-BCDs的制备和使用具有重要的现实意义。首先，澳洲坚果壳作为一种农业副产品，具有丰富的来源和较低的成本，这使得其成为一种理想的腐蚀抑制剂原料。其次，MI-BCDs的结构特点使其在酸性环境中具有良好的吸附性能，能够有效抑制金属的腐蚀反应。此外，MI-BCDs的制备过程相对简单，且其性能稳定，适用于多种工业场景。通过将MI-BCDs应用于酸洗液中，不仅可以提高金属表面的清洁度，还能延长金属材料的使用寿命，降低维护成本。

综上所述，本文通过水热法合成了一种新型的生物碳点（MI-BCDs），并对其在金属腐蚀抑制中的应用进行了系统研究。实验结果表明，MI-BCDs具有丰富的表面活性基团和良好的吸附性能，能够在酸性环境中有效抑制金属的腐蚀反应。同时，MI-BCDs的制备过程充分利用了农业废弃物，实现了资源的循环利用，符合绿色可持续发展的要求。本文的研究为开发高效、环保的金属腐蚀抑制剂提供了新的思路和方法，具有重要的科学价值和应用前景。