新型嘧啶三酮衍生物对N80碳钢在3.5% NaCl中的缓蚀机制：电化学与DFTB理论计算研究

针对N80碳钢在3.5% NaCl环境中的腐蚀问题，研究人员通过合成两种新型嘧啶三酮衍生物（DPT和DDPT），结合电化学阻抗谱（EIS）、动电位极化（PDP）和DFT理论计算，证实其缓蚀效率超90%，吸附符合Langmuir模型，为工业防腐蚀提供了高效环保的解决方案。

　　

在石油开采和海洋工程中，N80碳钢因其优异的机械性能和成本优势被广泛应用，但氯离子引发的腐蚀问题始终是行业痛点。溶解氧和湿度的协同作用会加速钢材的局部点蚀，导致设备寿命缩短和维护成本激增。传统防护手段如涂层和阴极保护虽有效，但存在环保性和持久性不足的缺陷。有机缓蚀剂因其分子可设计性成为研究热点，其中含氮杂环化合物因其强吸附能力备受关注。

针对这一挑战，研究人员聚焦于两种新型嘧啶三酮衍生物——5,5-二乙基嘧啶三酮（DPT）和其乙炔基修饰衍生物（DDPT），通过多尺度方法探究其在模拟海水环境（3.5% NaCl）中对N80碳钢的防护机制。研究采用失重法、电化学阻抗谱（EIS）、动电位极化（PDP）和扫描电镜（SEM）进行实验验证，并结合密度泛函理论（DFT）、紧束缚密度泛函（DFTB）和非共价相互作用（NCI）计算揭示分子-金属界面作用本质。

关键技术方法
实验使用标准N80碳钢（0.34% C）制备1 cm²试样，在303-363 K温度范围内测试。电化学测试采用三电极体系，EIS频率范围10⁵-10^-2 Hz，PDP扫描速率1 mV/s。理论计算通过Gaussian 09软件完成，吸附能经DFTB+/slko参数化计算，电子转移通过前沿分子轨道（FMO）分析。

研究结果

1. Mаteriаls аnd Sаmples Prepаrаtion
   N80碳钢经机械抛光后，在含10^-3 M DDPT的NaCl溶液中腐蚀速率降至0.003 mm/年，较空白组降低96%。

2. Weight loss measurement results
   温度升高至363 K时，DDPT的缓蚀效率仍保持94.3%，表明其热稳定性优于DPT（θ值下降更缓慢）。

3. Conclusion

• DDPT因乙炔基的π电子富集，在Fe(110)晶面产生更强的共价吸附（ΔG_ads=-39.77 kJ/mol）；
• EIS显示DDPT使极化电阻提升至2201 Ω·cm²，证实其界面屏障效应；
• NCI计算揭示抑制剂与铁表面存在显著的范德华力和氢键协同作用。

这项发表于《Journal of Molecular Structure》的研究，首次将嘧啶三酮衍生物的分子拓扑特征（如乙炔基的电子离域效应）与缓蚀性能定量关联，为设计耐高温海洋环境缓蚀剂提供了理论框架。Hanane El Badaoui等学者通过实验-计算联姻策略，证实DDPT的立体位阻可有效阻挡Cl^-渗透，其成果对海上钻井平台和输油管道的长效防护具有重要应用价值。