V?O?改性的磷酸盐玻璃的光谱学、电化学及缓蚀性能研究

《Hybrid Advances》：Spectroscopic, Electrochemical, and Corrosion Inhibition Studies of V 2O 5-Modified Phosphate Glasses

本研究合成了三种钒磷酸玻璃（50V2O5–50P2O5、50V2O5–25P2O5–25BaO、50V2O5–50BaO），通过XRD、FTIR、XPS和电化学方法（CV、EIS）表征其结构和性能。结果表明，钒以V^4+和V^5+形式存在，并与P、Ba形成V–O–P、V–O–Ba等键合，其中二元玻璃50V2O5–50P2O5在250 ppm浓度下对1.0 M HCl中的低碳钢表现出最高缓蚀效率（97.7%），其机制涉及阴极缓蚀和形成致密保护膜。该玻璃在5.0 M HCl中仍保持高效率（92.2%），优于传统铬酸盐和钼酸盐缓蚀剂，具有环保优势。

　　本研究探讨了三种基于五氧化二钒的玻璃材料的合成与性能，这些材料的组成分别为：50V?O?–50P?O?、50V?O?–25P?O?–25BaO以及50V?O?–50BaO。通过多种分析手段，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS），研究者对这些玻璃的网络结构进行了深入分析，以揭示其组成元素之间的键合与配位特性。五氧化二钒在这些玻璃中以两种氧化态存在，即V??和V??，并形成了V–O–V、V–O–P和V–O–Ba等桥接结构。这些结构在玻璃的稳定性和功能特性方面起着关键作用。

研究还采用循环伏安法（CV）对铂电极在1.0 M HCl溶液中的电化学行为进行了分析，旨在探究V??/V??体系的氧化还原特性。随后，通过在相同酸性介质中对低碳钢的腐蚀抑制性能进行评估，研究团队全面分析了这些材料在实际应用中的表现。结果显示，在250 ppm的抑制剂浓度下，50V?O?–50P?O?玻璃在1.0 M和5.0 M的酸性介质中分别表现出97.7%和92.2%的抑制效率。这种高效性能归因于电化学分析和表面分析揭示的机制。

腐蚀是一种自然现象，指的是金属和合金在特定环境条件下发生的化学或电化学降解。在工业环境中，这种现象尤为严重，尤其是在酸性介质如盐酸的应用中。传统的有机和无机抑制剂虽然在一定程度上能够有效防止腐蚀，但它们的毒性、低生物降解性以及在严苛工业条件下的不稳定性引发了环境和操作上的担忧。相比之下，磷酸盐和钒酸盐玻璃因其结构的灵活性和可调的化学反应性，成为一种更安全、更可持续的替代方案。这些玻璃通过逐渐释放抑制性离子（如PO?3?和VO?3?），在金属与溶液的界面形成保护层，而不会引入有害物质。

在本研究中，玻璃的合成采用了熔融急冷法，即通过将高纯度的V?O?、BaCO?和(NH?)?HPO?在高温下熔融并迅速冷却，从而获得非晶态玻璃。在后续的表征过程中，研究者使用X射线衍射（XRD）确认了合成玻璃的非晶特性，即没有结晶相。此外，通过红外光谱分析，研究者观察到不同玻璃成分的特定吸收峰，这些峰与V–O–P、V–O–V和V–O–Ba桥接结构的形成有关。这些结构的识别有助于理解玻璃在电化学反应中的行为。

XPS分析进一步揭示了玻璃中不同元素的化学状态及其与周围环境的相互作用。例如，V??和V??的氧化态在玻璃中被检测到，并且它们的结合能变化与电荷转移和吸附行为密切相关。同时，P?O?和BaO的引入对玻璃的化学结构和电化学性能产生了显著影响。例如，P?O?的加入降低了玻璃的过渡温度，从而影响了其热稳定性。此外，P?O?的引入还改变了V–O–P桥接结构的形成，使其在玻璃中更稳定。

通过循环伏安法，研究团队观察到V??/V??体系的氧化还原过程主要由电子转移机制和不可逆的化学步骤共同作用。在不同的扫描速率下，电化学数据的变化表明，玻璃的电化学活性受到其结构和组成的影响。例如，随着扫描速率的增加，氧化峰电位和还原峰电位之间的差异也随之增大，这可能与溶液电阻和电子转移动力学有关。同时，峰电流的变化进一步支持了玻璃在电化学反应中的行为模式。

腐蚀测试结果表明，这些玻璃在1.0 M HCl溶液中表现出良好的抑制性能。其中，50V?O?–50P?O?玻璃的抑制效率最高，达到了97.7%。通过电化学阻抗谱（EIS）和极化曲线分析，研究者进一步探讨了这些玻璃的抑制机制。EIS数据表明，随着抑制剂浓度的增加，极化电阻（R_p）显著提高，这表明在金属表面形成了更稳定的保护膜。同时，双电层电容（C_dl）和Q参数的降低也支持了抑制剂在金属表面吸附的假设。

极化曲线分析进一步揭示了这些玻璃对腐蚀过程的影响。在有抑制剂存在的情况下，腐蚀电位（E_corr）向阴极方向移动，这表明抑制剂主要通过抑制阴极反应来减缓腐蚀。此外，腐蚀电流密度（i_corr）的降低也说明了抑制剂对金属溶解和氢气析出的抑制作用。这些结果表明，这些玻璃作为混合型抑制剂，能够同时影响阳极和阴极反应，从而有效降低腐蚀速率。

为了进一步探讨这些玻璃的抑制机制，研究团队还使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）对金属表面进行了分析。结果表明，在加入抑制剂的情况下，金属表面形成了均匀且致密的保护层，这可能与抑制剂在金属表面的吸附和化学反应有关。EDX分析还检测到了P、V、Fe和氧等元素，进一步支持了抑制剂在金属表面形成保护层的假设。

研究团队还讨论了不同酸浓度对腐蚀过程的影响。在5.0 M HCl溶液中，尽管抑制效率有所下降，但50V?O?–50P?O?玻璃仍表现出较高的抑制性能，这表明其在强酸环境中的稳定性优于传统磷酸盐抑制剂。这种稳定性可能与玻璃中V–O–P桥接结构的形成以及抑制剂在金属表面的均匀分布有关。

综上所述，本研究揭示了基于五氧化二钒的玻璃在酸性环境中的优异腐蚀抑制性能。这些玻璃不仅在结构上具有灵活性，还能通过逐渐释放抑制性离子形成稳定的保护膜。通过电化学分析和表面研究，研究团队确定了这些玻璃在抑制腐蚀过程中的作用机制，为开发更安全、更环保的金属保护材料提供了重要的理论依据和实验支持。这些发现表明，基于五氧化二钒的玻璃在工业应用中具有广阔前景，能够有效替代传统的有毒抑制剂，实现对金属材料的长期保护。