新型席夫碱NBAP对XC70钢在盐酸环境中的电化学腐蚀抑制机制及分子动力学模拟研究

本研究针对油气工业中XC70低碳钢在酸性环境下的腐蚀问题，合成新型席夫碱(Z)-2-((3-硝基亚苄基)氨基)苯酚(NBAP)，通过电化学阻抗谱(EIS)、动电位极化(PDP)和表面形貌测试，结合密度泛函理论(DFT)和分子动力学模拟(MDS)，证实其在1 M HCl中抑制效率达89%，通过化学吸附形成保护层，为开发高效腐蚀抑制剂提供理论依据。

　　

在石油天然气工业中，金属管道和设备长期暴露于酸性环境导致的腐蚀问题，不仅造成巨大的经济损失，还可能引发安全事故。酸性溶液广泛应用于工业清洗过程，但伴随而来的金属腐蚀问题始终是行业痛点。传统防护手段如材料改性或工艺调整存在成本高、效果有限的缺陷，而有机缓蚀剂因其高效性和经济性成为研究热点。其中，含有氮、氧等杂原子的席夫碱类化合物因其独特的分子结构和吸附特性，在酸性介质中展现出优异的缓蚀潜力。

为开发新型高效缓蚀剂，来自阿尔及利亚塞提夫大学技术学院电化学与分子工程实验室的研究团队设计合成了新型席夫碱化合物(Z)-2-((3-硝基亚苄基)氨基)苯酚(NBAP)，并系统研究了其对XC70低碳钢在1 M盐酸中的缓蚀性能及相关机制。研究成果发表在《Scientific Reports》期刊，为工业防腐提供了新的解决方案。

研究采用核磁共振(¹H NMR和¹³C NMR)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和元素分析对NBAP进行结构表征。通过电化学测试技术（包括动电位极化和电化学阻抗谱）评估其缓蚀效率，结合扫描电子显微镜(SEM)观察表面形貌变化。理论计算方面采用密度泛函理论(DFT)分析量子化学参数，并运用分子动力学模拟(MDS)研究分子与Fe(110)表面的相互作用。

实验结果

1. 光谱学研究：核磁共振谱中8.706 ppm处的亚胺质子单峰和FT-IR中1584 cm^-1处的C=N伸缩振动峰证实了NBAP的成功合成。紫外光谱236 nm和268 nm处的吸收带分别对应芳香环的π→π跃迁和亚胺基团的n→π跃迁。

2. 电化学测试：动电位极化显示NBAP在10^-4 M浓度下缓蚀效率达89%，腐蚀电流密度从0.428 mA/cm²降至0.047 mA/cm²，属于混合型缓蚀剂。电化学阻抗谱中电荷转移电阻(R_ct)从49.92 Ω·cm²增至255.3 Ω·cm²，双电层电容降低表明分子吸附形成保护膜。

3. 吸附行为：吸附符合Langmuir等温线，吸附自由能(ΔG°_ads=-44.3 kJ/mol)和活化能(E_a=33.5 kJ/mol)数据表明其为自发放热的化学吸附过程。

4. 温度效应：在333 K高温下缓蚀效率提升至92%，证实NBAP在苛刻环境中仍保持优异性能。

5. 表面形貌：SEM显示空白组表面出现严重点蚀和裂纹，而添加NBAP后形成均匀致密的保护层。

6. 理论计算：DFT显示NBAP具有高HOMO能级(-6.00 eV)和窄能隙(3.35 eV)，亚胺基团和硝基为活性吸附中心。MDS证实分子平行吸附于Fe(110)表面，键距<3.5 ?验证了化学吸附机制。

结论与意义
该研究通过实验与理论计算的有机结合，阐明了NBAP通过亚胺基团(-CH=N-)和羟基与Fe²⁺形成配位键，硝基通过静电作用辅助吸附的多重缓蚀机制。其创新性在于：

1. 开发出在高温强酸环境下仍保持90%以上效率的新型缓蚀剂；
2. 首次结合DFT和MDS揭示了NBAP的平行吸附构型与电子转移路径；
3. 为设计含硝基的席夫碱类缓蚀剂提供了分子设计策略。

该成果不仅对延长油气管道服役寿命具有直接应用价值，其研究方法也为其他金属/腐蚀体系的缓蚀剂开发提供了范式。特别值得注意的是，NBAP分子中硝基的引入显著提升了其在极端条件下的稳定性，这一发现为高性能缓蚀剂的分子工程指明了新方向。