新型氯代C4取代杂环有机吡唑酮在HCl溶液中对低碳钢的抗腐蚀性能研究

《Journal of Molecular Structure》：Study of the anti-corrosion properties of a novel chloro C4-substituted heterocyclic organic pyrazolone for mild steel in HCl solution

本研究以新型氯代C4杂环吡唑酮化合物Cl-PRZ为对象，采用电化学阻抗谱（EIS）和极化电位法评估其在1M HCl中对低碳钢的腐蚀抑制性能。结果表明，1 mM Cl-PRZ在298 K时抑制效率达86%，且抑制机理遵循Langmuir吸附模型，并形成保护膜。温度升高至328 K时抑制效率下降。理论计算（DFT和蒙特卡洛模拟）证实了氯离子与钢基体的电荷转移及分子相互作用机制。

　　本研究探讨了一种新型的含氯取代C4杂环吡唑酮衍生物化合物——3-(5-甲基-3-氧代-2,3-二氢-1H-吡唑-4-基)-3-(4-氯苯基)丙酸（Cl-PRZ）在1 M HCl溶液中对低碳钢（Mild Steel, MS）的腐蚀抑制性能。通过电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化（PDP）等实验方法，评估了Cl-PRZ在不同浓度、温度以及浸泡时间下的抑制效果。研究结果表明，随着Cl-PRZ浓度的增加，其对腐蚀的抑制能力也随之增强。当使用1 mM的Cl-PRZ浓度时，在298 K的温度下，抑制效率达到了86%，显示出较强的保护作用。此外，不同浸泡时间下的测试数据表明，Cl-PRZ的抑制作用主要依赖于其对金属表面的物理阻隔效应，而并未改变腐蚀的基本机制。这一发现为理解Cl-PRZ的抑制机理提供了重要的线索。

研究还发现，当温度从298 K升高到328 K时，Cl-PRZ的抑制效率显著下降。这表明温度的升高可能加速了腐蚀反应，同时也可能影响了Cl-PRZ在金属表面的吸附行为。吸附行为的分析显示，Cl-PRZ在MS表面的吸附符合Langmuir吸附等温模型，表明其在金属表面形成了单层吸附结构。这一模型通常用于描述在表面吸附过程中，吸附剂与吸附表面之间形成稳定的化学键或物理相互作用，从而阻止腐蚀的发生。吸附过程的热力学参数也被计算出来，进一步揭示了Cl-PRZ在金属表面吸附的机理。根据计算结果，Cl-PRZ的吸附标准自由能约为–38 kJ/mol，这一数值表明其吸附行为主要由物理和化学因素共同作用，形成了稳定的吸附层。

为了验证Cl-PRZ在金属表面的吸附行为及其对腐蚀的抑制效果，研究还采用了扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）等表面分析技术。这些技术能够直观地观察金属表面的形貌变化以及元素组成的变化。结果表明，在Cl-PRZ存在的情况下，MS表面形成了保护性薄膜，这可能是由于Cl-PRZ分子在金属表面的吸附作用，从而减少了腐蚀反应的活性位点。同时，密度泛函理论（DFT）计算也被用于研究Cl-PRZ与金属表面之间的电子相互作用，特别是氯离子与金属基体之间的电荷转移过程。DFT计算结果进一步支持了Cl-PRZ的吸附行为，表明其分子结构能够有效地与金属表面相互作用，从而增强其抑制效果。

此外，研究还结合了蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulations）与模拟退火算法（Simulated Annealing Algorithm, SAA）以及吸附定位技术（Adsorption Locator Techniques），对Cl-PRZ与金属表面之间的分子相互作用进行了深入分析。这些理论方法能够模拟和预测Cl-PRZ在金属表面的吸附行为，为实验结果提供了有力的支持。通过这些模拟，研究者能够更好地理解Cl-PRZ在不同条件下的吸附行为，以及其对腐蚀反应的抑制机制。

在实验方法方面，研究采用了多种技术手段，包括电化学测试、表面分析以及理论模拟，以全面评估Cl-PRZ的腐蚀抑制性能。电化学测试方法如EIS和PDP能够提供关于腐蚀速率和抑制效率的定量数据，而SEM和EDS则能够提供关于金属表面形貌和元素组成的定性信息。理论模拟方法如DFT和蒙特卡洛模拟则能够从分子层面解释Cl-PRZ的吸附行为及其对腐蚀反应的影响。这些方法的综合应用不仅有助于验证实验结果，还能够为未来的腐蚀抑制剂设计提供理论依据。

在研究中，Cl-PRZ的合成路径被详细描述，表明其可以通过相对简单且高产率的步骤合成，使用的是成本较低的起始材料。这一特点使得Cl-PRZ在实际应用中具有较高的经济可行性，尤其是在需要大规模应用的工业场景中。此外，Cl-PRZ的结构被确认为含氯取代的C4杂环吡唑酮衍生物，其分子结构中包含吡唑环和氯苯基等官能团，这些官能团在腐蚀抑制过程中可能起到关键作用。例如，吡唑环中的氮原子可能通过提供孤对电子参与吸附过程，而氯苯基中的氯原子可能通过电荷转移增强吸附效果。

研究还指出，Cl-PRZ在1 M HCl溶液中的腐蚀抑制性能与文献中报道的其他吡唑酮类化合物相似或更优。例如，一些文献中提到的吡唑酮类化合物在1 M HCl溶液中对MS的抑制效率可达80%至96%，具体取决于其取代基和吸附行为。而Cl-PRZ在1 mM浓度下达到了86%的抑制效率，显示出其在实际应用中的潜力。这一结果表明，Cl-PRZ不仅具有良好的吸附能力，还能够有效抑制腐蚀反应，为未来的腐蚀防护研究提供了新的方向。

在实验过程中，研究者还关注了Cl-PRZ的使用条件，包括其浓度、温度以及浸泡时间。这些条件对Cl-PRZ的抑制效果具有重要影响。例如，随着浓度的增加，抑制效率提高，这表明Cl-PRZ在较低浓度下可能已经达到了吸附饱和，从而无法进一步提高抑制效果。而随着温度的升高，抑制效率下降，这可能是因为高温加速了腐蚀反应，同时也可能影响了Cl-PRZ在金属表面的吸附行为。此外，浸泡时间的延长也会影响Cl-PRZ的吸附效果，表明其在不同时间尺度下的表现可能有所不同。

为了进一步验证Cl-PRZ的抑制效果，研究者还采用了多种分析手段，包括表面形态分析、元素组成分析以及电子相互作用分析。这些分析手段能够从不同角度揭示Cl-PRZ的吸附行为及其对腐蚀反应的影响。例如，表面形态分析可以显示Cl-PRZ在金属表面形成的保护性薄膜的结构，而元素组成分析可以揭示薄膜中主要的元素组成，从而判断其化学性质。电子相互作用分析则能够从分子层面解释Cl-PRZ与金属表面之间的相互作用机制，为实验结果提供理论支持。

在实验结果的分析中，研究者还指出，Cl-PRZ的吸附行为可能涉及物理和化学两种机制。物理吸附通常由范德华力等弱相互作用主导，而化学吸附则由共价键等强相互作用主导。Cl-PRZ的吸附标准自由能约为–38 kJ/mol，这一数值表明其吸附行为主要由物理和化学因素共同作用，形成了稳定的吸附层。这种吸附方式能够有效地阻止腐蚀反应的发生，从而提高MS的耐腐蚀性能。

此外，研究还关注了Cl-PRZ在不同环境下的应用潜力。例如，在酸性环境中，Cl-PRZ的吸附行为可能更加显著，因为它能够与酸性环境中的氯离子形成协同效应，从而增强其对金属表面的保护作用。然而，在某些情况下，如硫酸酸性环境中，Cl-PRZ的吸附行为可能受到限制，因为硫酸根离子的强吸附能力可能干扰Cl-PRZ的保护作用。因此，在选择腐蚀抑制剂时，需要考虑其在不同酸性环境中的表现，以确保其在实际应用中的有效性。

在研究中，Cl-PRZ的合成和结构分析被详细描述，表明其可以通过简单的方法合成，并且其结构特征符合吡唑酮类化合物的典型结构。这一结构特征使得Cl-PRZ在腐蚀抑制过程中具有较高的活性，能够有效与金属表面相互作用。同时，Cl-PRZ的分子结构中包含多个官能团，如吡唑环、氯苯基等，这些官能团可能在不同的条件下表现出不同的吸附行为和抑制效果。

研究还指出，Cl-PRZ的抑制效果可能与它的分子结构密切相关。例如，吡唑环中的氮原子可能通过提供孤对电子参与吸附过程，而氯苯基中的氯原子可能通过电荷转移增强吸附效果。这种分子结构的特性使得Cl-PRZ在不同的腐蚀环境中表现出良好的适应性，能够有效地与金属表面相互作用，从而提高其耐腐蚀性能。

在实验过程中，研究者还采用了多种方法来评估Cl-PRZ的抑制效果，包括电化学测试、表面分析以及理论模拟。这些方法能够从不同角度揭示Cl-PRZ的吸附行为及其对腐蚀反应的影响。例如，电化学测试能够提供关于腐蚀速率和抑制效率的定量数据，而表面分析能够提供关于金属表面形貌和元素组成的定性信息。理论模拟则能够从分子层面解释Cl-PRZ与金属表面之间的相互作用机制，为实验结果提供理论支持。

在研究中，Cl-PRZ的合成路径被详细描述，表明其可以通过相对简单且高产率的步骤合成，使用的是成本较低的起始材料。这一特点使得Cl-PRZ在实际应用中具有较高的经济可行性，尤其是在需要大规模应用的工业场景中。此外，Cl-PRZ的结构被确认为含氯取代的C4杂环吡唑酮衍生物，其分子结构中的官能团可能在不同的条件下表现出不同的吸附行为和抑制效果。

在实验结果的分析中，研究者还指出，Cl-PRZ的吸附行为可能涉及物理和化学两种机制。物理吸附通常由范德华力等弱相互作用主导，而化学吸附则由共价键等强相互作用主导。Cl-PRZ的吸附标准自由能约为–38 kJ/mol，这一数值表明其吸附行为主要由物理和化学因素共同作用，形成了稳定的吸附层。这种吸附方式能够有效地阻止腐蚀反应的发生，从而提高MS的耐腐蚀性能。

此外，研究还关注了Cl-PRZ在不同环境下的应用潜力。例如，在酸性环境中，Cl-PRZ的吸附行为可能更加显著，因为它能够与酸性环境中的氯离子形成协同效应，从而增强其对金属表面的保护作用。然而，在某些情况下，如硫酸酸性环境中，Cl-PRZ的吸附行为可能受到限制，因为硫酸根离子的强吸附能力可能干扰Cl-PRZ的保护作用。因此，在选择腐蚀抑制剂时，需要考虑其在不同酸性环境中的表现，以确保其在实际应用中的有效性。

在研究中，Cl-PRZ的合成和结构分析被详细描述，表明其可以通过简单的方法合成，并且其结构特征符合吡唑酮类化合物的典型结构。这一结构特征使得Cl-PRZ在腐蚀抑制过程中具有较高的活性，能够有效与金属表面相互作用。同时，Cl-PRZ的分子结构中包含多个官能团，如吡唑环、氯苯基等，这些官能团可能在不同的条件下表现出不同的吸附行为和抑制效果。

在实验过程中，研究者还采用了多种方法来评估Cl-PRZ的抑制效果，包括电化学测试、表面分析以及理论模拟。这些方法能够从不同角度揭示Cl-PRZ的吸附行为及其对腐蚀反应的影响。例如，电化学测试能够提供关于腐蚀速率和抑制效率的定量数据，而表面分析能够提供关于金属表面形貌和元素组成的定性信息。理论模拟则能够从分子层面解释Cl-PRZ与金属表面之间的相互作用机制，为实验结果提供理论支持。

综上所述，本研究通过多种实验和理论方法，系统地评估了Cl-PRZ在1 M HCl溶液中对MS的腐蚀抑制性能。研究结果表明，Cl-PRZ具有较高的抑制效率，其吸附行为符合Langmuir模型，且其吸附过程主要由物理和化学因素共同作用。此外，Cl-PRZ的抑制效果受到浓度、温度以及浸泡时间的影响，其在不同条件下的表现可能有所不同。这些发现不仅为理解Cl-PRZ的抑制机理提供了重要的依据，还为未来的腐蚀抑制剂设计提供了新的思路。