茶籽壳提取物/Cu2+协同构建Q235钢表面有机-无机杂化膜的防腐机制研究

针对Q235钢在酸性环境中的腐蚀问题，研究人员通过茶籽壳提取物(COSE)与Cu2+协同作用，原位构建了具有超疏水特性的有机-无机杂化膜。该膜显著提升腐蚀抑制效率至96.30%，并通过实验与理论计算揭示了Cu0纳米颗粒与COSE活性组分的协同机制，为农林废弃物高值化利用提供新策略。

　　

在石油天然气工业中，Q235钢因成本低廉和加工性能优异被广泛应用，但其在酸性环境中的腐蚀问题导致设备寿命缩短和经济损失。传统自组装膜(SAFs)虽环保高效，但存在化学稳定性差、易脱落等缺陷。尽管辐射处理或树枝状分子可增强膜稳定性，其复杂工艺和高成本制约了大规模应用。茶籽壳(COS)作为农林废弃物年产量达27万吨，目前主要通过填埋或焚烧处理，造成资源浪费和环境污染。与此同时，含丰富杂原子和π键的植物提取物与金属离子（如Zn²⁺、Ce³⁺）的协同防腐效应已有报道，但酸性介质中弱配位作用限制了其应用。

针对上述问题，中国的研究团队创新性地利用茶籽壳提取物(COSE)与Cu²⁺的独特协同效应，在Q235钢表面原位构建了有机-无机杂化膜。该研究通过扫描电镜/能谱(SEM-EDS)、飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)、透射电镜(TEM)等技术证实，杂化膜由吸附的COSE有机物与原位生成的Cu⁰纳米颗粒组成。电化学测试显示，该膜使电荷转移电阻(R_ct)提升至741.0 Ω·cm²，界面反应系数降至0.9×10^?5 s^?1，在1.0 M HCl中对钢的腐蚀抑制效率达96.30%。结合量子化学计算和分子动力学(MD)模拟，首次系统阐明了Cu²⁺与COSE活性组分通过电荷转移和表面吸附的协同机制。

材料与试剂
研究采用江西赣州采集的茶籽壳，经50%乙醇/水混合溶剂提取获得COSE。Q235钢试样经抛光处理后，在含COSE和CuSO₄的HCl溶液中浸泡构建杂化膜。

COSE/Cu杂化膜表征
XRD分析显示，空白组钢表面生成FeO(OH)腐蚀产物，而COSE/Cu组出现Cu⁰的(111)晶面衍射峰。TEM证实膜内存在5-20 nm的Cu纳米颗粒，XPS表明Cu以Cu⁰和Cu⁺形态存在。TOF-SIMS检测到COSE中酚类、黄酮类等活性组分。

防腐机制
在HCl溶液中，Cl^?优先吸附于钢表面形成(FeCl^–)_ads，随后COSE组分通过杂原子孤对电子与Cu²⁺配位，原位还原生成的Cu⁰纳米颗粒与COSE形成致密保护层。DFT计算显示，Cu²⁺可降低COSE组分的吸附能，增强其与Fe表面的电荷转移。

结论
该研究首次实现COSE/Cu杂化膜在强酸环境中的高效防腐，为农林废弃物资源化利用开辟新途径。Shuli Li等通过多尺度表征与理论计算相结合，详细揭示了植物提取物与金属离子的协同防腐机制，相关成果发表于《Journal of Materials Science》。这项工作不仅为酸性介质金属防腐提供新思路，也为其他植物基功能材料的开发奠定理论基础。