印楝叶提取物作为绿色缓蚀剂在1M HCl中对多种钢筋的防腐效应：电化学、DFT与模拟研究的综合成果

推荐：针对工业酸洗过程中钢材腐蚀问题，研究人员通过电化学测试（Tafel、EIS、LPR、ANN）、表面分析和COMSOL模拟，系统评估了印楝（Azadirachta indica）叶提取物对四种钢材（TMT/CRS/TMX/SD）在1M HCl中的缓蚀性能。结果表明65 ml浓度提取物可使腐蚀速率降低74.4%-85.1%，DFT计算揭示槲皮素等活性成分通过电子转移形成保护层。该研究为环保型缓蚀剂开发提供了新思路。

　　

在工业酸洗和建筑工程领域，盐酸（HCl）因其完全电离特性和低成本被广泛用于钢材表面处理，但强酸性环境会破坏钢材钝化层，导致金属溶解和氢脆问题。传统有机缓蚀剂虽有效但存在毒性大、成本高等缺陷，而植物提取物作为绿色缓蚀剂（GCI）因其环境友好特性备受关注。其中印楝（Azadirachta indica）因其丰富的生物活性成分成为研究热点，但关于其多组分协同作用机制及在不同钢材上的缓蚀性能差异仍缺乏系统研究。

为填补这一研究空白，研究人员开展了一项综合性研究，通过冷浸提法获得印楝叶水提取物，采用电化学测试（包括塔菲尔极化、电化学阻抗谱EIS、线性极化电阻LPR和循环伏安法CV）、表面分析技术（接触角测量、光学显微镜和场发射扫描电镜FE-SEM）结合计算模拟（密度泛函理论DFT和COMSOL Multiphysics）等方法，系统评估了提取物对四种钢材（TMT、CRS、TMX和SD）在1M HCl中的缓蚀性能。研究还引入人工神经网络（ANN）预测腐蚀速率，并与传统缓蚀剂三乙醇胺（TEA）和戊二醛（GU）进行对比。

关键技术方法包括：1）电化学工作站进行Tafel、EIS（频率范围100 kHz-0.01 Hz）和CV测试（扫描速率10 mV/s）；2）ORCA软件进行DFT计算（采用B3LYP泛函和6-311G基组）；3）COMSOL Multiphysics建立2D/3D腐蚀模型；4）JMP Pro 18软件构建ANN模型（2-4-1拓扑结构）。

研究结果揭示：

1. 电化学测试表明65 ml印楝提取物对TMX钢缓蚀效率最高达85.1%，腐蚀速率从215.17 mm/year降至32.056 mm/year。EIS数据显示极化电阻（R_p）从1.593 Ω增至5.981 Ω，证实保护膜形成。

2. 表面分析显示接触角从空白样的11°增至132.83°，FE-SEM证实抑制剂样品表面无裂纹，光学显微镜显示腐蚀坑显著减少。

3. DFT计算确定槲皮素（ΔE=3.6186 eV）和山柰酚（ΔE=3.9638 eV）为关键活性成分，其高EHOMO值（-5.6360 eV和-5.8388 eV）表明强电子供给能力。

4. COMSOL模拟直观展示离子流动方向，腐蚀速率预测值与实验值误差<5%，验证模型可靠性。

5. ANN模型预测结果R²达0.9747，χ²=1.419，证实输入参数（浓度和腐蚀电位）与输出（腐蚀速率）的强相关性。

该研究创新性地将多种实验方法与计算模拟相结合，首次系统评估了印楝提取物对不同工程钢材的缓蚀性能差异。研究不仅证实植物提取物可替代传统有毒缓蚀剂，更重要的是通过DFT揭示了多组分协同作用机制——黄酮类化合物通过π电子和羟基的协同吸附形成致密保护层。COMSOL模拟首次实现了腐蚀过程的动态可视化，为理解缓蚀剂作用机制提供了新视角。这些发现对开发环保型建筑工程材料具有重要指导意义，尤其为混凝土结构中钢筋防腐提供了新思路。论文发表在《Results in Engineering》，为绿色缓蚀剂的工业化应用奠定了理论基础。