3,4-二苯基-2,5-噻吩二甲酸对低碳钢在1 M HCl中的高效腐蚀抑制性能与机理研究

《Next Materials》：Electrochemical studies on the corrosion inhibition efficiency of 3,4-diphenyl-2,5-thiophenedicarboxylic acid for mild steel in 1?M HCl

本研究针对低碳钢在工业酸洗（如1 M HCl）环境中易受腐蚀的难题，报道了一种新型噻吩基抑制剂3,4-二苯基-2,5-噻吩二甲酸。通过电化学极化（EP）、阻抗谱（EIS）及表面分析（SEM/FTIR）证实，该抑制剂在200 ppm浓度下抑制效率高达95%，其通过化学吸附形成单分子保护膜，显著提升电荷转移电阻（Rct）至890 Ω·cm2，为绿色工业酸处理提供了高效环保解决方案。

　　

金属腐蚀是一个全球性的工业难题，尤其在酸洗、除垢和油井酸化等工艺中，低碳钢设备长期暴露在盐酸等强腐蚀性环境中，导致设备寿命缩短、维护成本激增和安全风险加大。传统铬酸盐等抑制剂虽有效但存在环境毒性问题，因此开发高效、环保的腐蚀抑制剂成为材料科学与工程领域的迫切需求。在此背景下，噻吩类化合物因其独特的电子结构和强吸附能力展现出巨大潜力。发表在《Next Materials》上的这项研究，首次系统评估了3,4-二苯基-2,5-噻吩二甲酸这一新型抑制剂对低碳钢在1 M HCl中的防护性能与机理。

为全面评估该抑制剂的性能，研究人员综合运用了重量法、电化学技术（包括动电位极化曲线分析和电化学阻抗谱）以及表面表征方法（扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱）。所有实验均在298–318 K的温度范围内进行，以模拟实际工业操作条件，抑制剂测试浓度范围为25至200 ppm。

4.1. 重量法测量

通过测量低碳钢试片在含有不同浓度抑制剂的1 M HCl溶液中浸泡24小时后的重量损失，计算出腐蚀速率和抑制效率。结果表明，抑制效率随浓度增加而显著提升，在200 ppm时达到95%，腐蚀速率从空白样的0.521 mg·cm^-2·h^-1降至0.026 mg·cm^-2·h^-1，证实了抑制剂在延长暴露时间下仍能保持稳定的保护效果。

4.2. 电化学研究

4.2.1. 动电位极化曲线与参数

极化曲线分析显示，添加抑制剂后，腐蚀电流密度（I_corr）从1.250 mA·cm^-2（空白）显著降低至0.060 mA·cm^-2（200 ppm），腐蚀电位（E_corr）的偏移量小于85 mV，表明该化合物是一种混合型抑制剂，能同时抑制阳极金属溶解和阴极析氢反应。

4.2.2. 电化学阻抗谱

EIS数据显示，随着抑制剂浓度增加，Nyquist图中的容抗弧半径显著增大，电荷转移电阻（R_ct）从45 Ω·cm2（空白）大幅提升至890 Ω·cm2（200 ppm），同时双电层电容（C_dl）降低，说明抑制剂分子在金属表面形成了有效的阻挡层，抑制了电荷转移过程。

4.2.3. 开路电位分析

开路电位随时间变化的曲线表明，在含有抑制剂的溶液中，电位能更快地稳定在更正值，反映了抑制剂分子在低碳钢表面的快速吸附和稳定保护膜的形成。

4.3. 表面分析

4.3.1. 扫描电子显微镜研究

SEM图像直观对比了空白样和200 ppm抑制剂处理后的钢片表面形貌。空白样表面粗糙，布满裂纹和腐蚀坑；而经抑制剂处理的表面则光滑平整，仅可见轻微抛光痕迹，证明吸附形成的保护膜有效隔离了腐蚀介质的攻击。

4.4. proposed mechanism

研究提出了一个多步骤吸附机制：首先，带正电的钢表面与抑制剂分子中的硫、氧等电负性原子发生静电吸引；随后，硫原子和羧基氧原子的孤对电子与铁原子的空3d轨道发生配位，形成强烈的化学吸附；同时，噻吩环和苯环的π电子与金属表面发生π-d相互作用，进一步稳定吸附层；最终形成致密的单分子保护膜，阻碍腐蚀反应的进行。热力学分析得出的吸附自由能（ΔG°_ads = -32.5 kJ·mol^-1）和升高的活化能（E_a = 65 kJ·mol^-1）均支持化学吸附为主导机制，吸附行为符合Langmuir等温模型。

综上所述，本研究证实3,4-二苯基-2,5-噻吩二甲酸是一种高效、环保的混合型腐蚀抑制剂。其分子中的刚性噻吩核、吸电子羧基和富π电子的苯取代基协同作用，提供了多个吸附中心，通过化学吸附在低碳钢表面形成稳定的单分子保护层，显著提高了在酸性环境中的耐腐蚀性能。该研究不仅为理解噻吩类抑制剂的构效关系提供了理论依据，也为工业酸洗、酸化和清洗过程中开发可持续的绿色腐蚀防护技术提供了有前景的候选材料，具有重要的工业应用价值和环境意义。