过期双氯芬酸钾对不锈钢在盐酸溶液中的腐蚀抑制潜力：实验与密度泛函理论研究

本研究针对工业酸洗过程中304L不锈钢在1 M HCl中的腐蚀问题，创新性地利用过期药物双氯芬酸钾(DFP)作为环保型缓蚀剂。通过失重法、电化学测试和表面表征(SEM/EDS/3D profilometry/FTIR)结合DFT计算，证实DFP在500 ppm浓度下可达90%抑制效率，形成混合型保护膜，其吸附行为符合Langmuir等温模型。该研究为过期药物资源化利用和绿色缓蚀剂开发提供了新思路。

　　

在工业酸洗、石油开采等过程中，金属设备长期暴露于强酸环境导致的腐蚀问题始终困扰着工程领域。特别是304L不锈钢虽具有优良的耐蚀性，但在含氯离子的酸性介质中仍会发生局部腐蚀，严重影响设备使用寿命和安全生产。传统缓蚀剂虽有效但存在毒性大、成本高、环境负担重等问题，而药品过期后的处理同样面临环境挑战。有趣的是，许多药物分子结构中含有N、O等杂原子，这些恰是金属缓蚀剂的活性位点。这一发现促使科研人员开始探索"变废为宝"的可能性——将过期药物转化为高效环保的缓蚀剂。

针对这一交叉学科问题，研究人员在《Environmental Surfaces and Interfaces》发表了创新性研究。该工作首次系统评估了过期双氯芬酸钾(DFP)对304L不锈钢在1 M HCl中的缓蚀性能。研究采用失重法测定不同温度(25/40/60°C)下的腐蚀速率，通过电化学工作站进行开路电位(OCP)、电化学阻抗谱(EIS)、线性极化电阻(LPR)和动电位极化(PDP)测试，结合扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、三维轮廓仪和傅里叶红外光谱(FTIR)等表面分析技术，并运用高斯软件进行密度泛函理论(DFT)计算，从实验和理论层面揭示了DFP的缓蚀机制。

关键技术方法包括：1) 电化学三电极体系测试；2) ISO 25178标准的3D表面粗糙度分析；3) B3LYP/6-31+G(d)基组的量子化学计算；4) 基于ASTM G1-03标准的失重实验；5) 等效电路拟合EIS数据。所有实验使用尼日利亚国家食品药品管理局提供的过期DFP样品。

3.1 失重分析显示DFP在500 ppm浓度下，25°C时腐蚀速率从2.327 mm/year降至0.243 mm/year，抑制效率达89.56%。温度升高至60°C时，抑制效率进一步提升至93.79%，表明DFP分子在高温下扩散增强，能更好地填充表面缺陷。

3.2 电化学研究部分：
3.2.1 OCP测试发现所有DFP浓度下的电位正移均小于85 mV，证实其混合型抑制特性。EIS谱图呈现两个时间常数，对应双电层电容(CPE_dl)和膜层电容(CPE_f)，500 ppm DFP使极化电阻(R_T)从46.21 Ω·cm²增至233.1 Ω·cm²。
3.2.3 LPR数据显示，DFP使腐蚀电流密度从580.7 μA/cm²降至0.906 μA/cm²，极化电阻提升6倍。
3.2.4 PDP曲线证实DFP同时抑制阴阳极反应，塔菲尔斜率变化显示其对阳极溶解的抑制作用更强。

3.3 吸附研究表明DFP符合Langmuir模型，ΔG_ads^o介于-25.96至-30.18 kJ/mol之间，属于化学增强的物理吸附。DFT计算显示HOMO轨道主要分布在[2-(2,6-二氯苯氨基)苯基]片段，而LUMO集中在钾原子周围，这种双极性特征有利于电子转移。

3.4 表面分析中，SEM显示DFP处理后的表面更平整，EDS检测到Cl元素含量从4.3 wt%降至0.4 wt%。3D轮廓仪测得表面粗糙度参数S_a从1.359 μm降至0.408 μm。FTIR证实DFP分子通过羧基和氨基与金属表面相互作用。

3.5 计算化学部分显示DFP的C25-O27键长(1.271 ?)与晶体结构数据吻合，分子静电势(MEP)分布揭示其通过芳环和胺基区域与金属发生电子转移。

该研究得出以下重要结论：(1) 过期DFP在1 M HCl中对304L不锈钢具有优异缓蚀效果(>90%)；(2) 吸附过程符合Langmuir模型，形成致密单分子膜；(3) 理论计算与实验共同证实DFP通过给电子芳环和受电子钾离子的协同作用实现保护；(4) 为药物废弃物资源化利用提供了范例，可应用于管道、热交换器等工业设备的酸洗保护。特别值得注意的是，研究中发现DFP在高温下反而表现更佳，这打破了常规认知，为开发温度适应性缓蚀剂提供了新思路。未来研究可进一步探讨药物中辅料成分对缓蚀性能的影响，以及在实际工业环境中的长期稳定性。该成果不仅解决了工业腐蚀问题，还为药品绿色处置开辟了新途径，实现了经济和环保效益的双赢。