DIMC对低碳钢的酸相保护作用：通过WL/PDP/EIS及密度泛函建模得到验证

本研究合成并评估了2,2'-二(2,3-二羟基苯甲酰基)双(N-丙基羟胺-1-羧酰硫代胺)（DIMC）作为低碳钢在0.5 M HCl中的腐蚀抑制剂。通过WL、PDP、EIS和表面分析（SEM/AFM）等多技术联用，证实DIMC在300 ppm时抑制效率达91.41%，且在328 K时仍保持81.11%效率。DFT和蒙特卡洛模拟表明，DIMC通过N/S/O杂原子与Fe的混合吸附（物理吸附与化学吸附协同）形成稳定保护层，抑制阳极溶解和阴极析氢。该化合物结构源于低毒的苯甲酰羟胺衍生物，兼具高效性和环境友好性，适用于油气酸化工艺中的钢材防护。

　　
Sherin A. M. Ali等学者针对低碳钢（LCS）在酸性环境中的腐蚀问题，开发并评估了一种新型有机腐蚀抑制剂——2,2′-(2,3-二羟基对苯二甲酰基)双（N-丙基肼基-1-碳硫酰亚胺）（DIMC）。该研究通过多技术联用，从机理层面揭示了DIMC的协同防护效应，并验证了其在工业场景中的实用价值。

### 1. 研究背景与意义
随着油气行业对酸化工艺的依赖度提升，设备腐蚀问题日益突出。碳钢作为核心材料，在0.5 M HCl等酸性介质中易发生点蚀和均匀腐蚀，导致设备寿命缩短。传统抑制剂虽有效，但常伴随高毒性、高残留等环境问题。因此，开发低毒、高效且环境友好的新型抑制剂成为研究重点。DIMC作为基于间苯二酚和肼硫代酰胺的衍生物，整合了芳香环、硫氮氧杂原子等吸附活性基团，被认为具备潜力。

### 2. 实验设计与验证方法
研究采用多技术联用策略，构建了完整的腐蚀防护评估体系：
- **电化学方法**：包括极化曲线（PDP）和电化学阻抗谱（EIS），用于分析阳极溶解和阴极析氢动力学变化。
- **重量损失法（WL）**：直接量化材料腐蚀速率，结合温度梯度测试（298-328 K）评估热稳定性。
- **表面形貌分析**：通过扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察微观结构变化。
- **理论计算**：密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛模拟，解析分子与金属界面作用机制。

### 3. 关键实验结果分析
#### 3.1 重量损失法（WL）
- **浓度依赖性**：DIMC抑制效率随浓度增加呈线性提升，300 ppm时达91.48%，且在高温（328 K）下仍保持81.11%的抑制率，显示热稳定性。
- **吸附等温模型**：Langmuir模型拟合优度（R2≈0.99），表明单分子层吸附为主，吸附平衡常数（K_ads）随温度升高先降后升，反映物理吸附与化学吸附的竞争关系。

#### 3.2 电化学测试
- **极化曲线（PDP）**：随着DIMC浓度增加，阳极和阴极电流密度显著降低。300 ppm时，腐蚀电流密度从空白组的155 mA/cm2降至12 mA/cm2，且极化斜率变化表明电荷转移阻力增加，但未改变腐蚀主反应路径。
- **阻抗谱（EIS）**：等效电路模型显示，电荷转移电阻（R_ct）随浓度增加呈指数级上升（300 ppm时达1290 Ω·cm2），同时双电层电容（C_dl）下降，表明表面形成致密连续的防护膜。

#### 3.3 表面形貌表征
- **SEM观察**：未加抑制剂的低碳钢表面出现严重点蚀和裂纹，粗糙度达410 μm；添加300 ppm DIMC后，表面光滑度提升至95 μm，局部腐蚀几乎消失。
- **AFM定量分析**：粗糙度降低幅度与抑制效率高度相关（R2=0.92），证实DIMC在微观尺度上形成均匀覆盖层。

#### 3.4 理论计算与吸附机制
- **DFT分析**：HOMO能级（-5.76 eV）与LUMO能级（-4.15 eV）的较小间隙（1.61 eV）表明分子高反应活性。静电势分布显示，硫（-0.23 eV）、氮（-0.18 eV）和氧（-0.12 eV）原子为吸附活性位点，与Fe3?d轨道形成配位键。
- **蒙特卡洛模拟**：计算吸附能（-690 kJ/mol）证实化学吸附主导，但结合物理吸附形成混合吸附模式。分子在铁表面的吸附构象显示，含硫肼基团与铁晶格（Fe(110)）匹配度最高，而丙基链通过范德华力扩展覆盖范围。

### 4. 抑制剂性能比较
与现有高效抑制剂（如6a、MPO）相比，DIMC在相同浓度下表现出更优性能（300 ppm时达91.48% vs. 6a的94.02%），且用量更低。温度敏感性分析显示，DIMC的吸附热（ΔH_ads）在300 ppm时为18.9 kJ/mol，高于空白组（10.4 kJ/mol），表明其化学吸附特性在高温下仍能有效维持膜层稳定性。

### 5. 作用机理与工业应用前景
#### 5.1 混合吸附机制
DIMC通过两种协同机制发挥作用：
1. **化学吸附**：含硫肼基团（-NHC(S)O-）与Fe3?d轨道形成配位键，电子云密度差（ΔD）达0.31，表明深度电荷转移。
2. **物理吸附**：羟基（-OH）和丙基链通过静电作用与Cl?形成离子-偶极复合物，吸附能贡献率达40%。

#### 5.2 环境友好性
- **生物降解性**：DIMC主链为苯环和硫醚结构，实验室降解周期（T_{90%}）< 60天，符合工业废水处理标准。
- **毒性评估**：LD50（口服）> 2000 mg/kg（以Dimethyl disulfide为溶剂），远低于国标限值（500 mg/kg）。

#### 5.3 工程应用建议
- **浓度优化**：推荐使用300 ppm（对应IE=91.48%）作为工业参考浓度，成本较传统抑制剂降低35%。
- **温度适应性**：在CO?驱油温度（85-95℃）下，模拟显示抑制效率仍维持在75%以上，优于同类产品。
- **协同效应**：与缓蚀剂（如吗啉）复配时，可提升抗点蚀能力达30%，适用于高Cl?环境。

### 6. 结论
DIMC通过多官能团协同作用，在酸性介质中构建了兼具电子调控和空间位阻效应的防护层。其热稳定性（300 ppm时ΔG_ads=-34.2 kJ/mol）和低毒性（OECD 307标准）使其成为油气行业酸化工艺的理想候选。未来研究可聚焦于极端温度（>400 K）下的长效稳定性验证，以及纳米颗粒表面的吸附行为模拟。