通过一步法合成的两种新型Schiff碱的实验与计算研究：这些化合物作为1.0 M HCl溶液中低碳钢的缓蚀剂

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Experimental and computational study of two new Schiff bases synthesized via one-step method as corrosion inhibitors for mild steel in 1.0?M HCl

新型Schiff碱腐蚀抑制剂PAMMP与AIMM对碳钢在1.0 M HCl中的抑制性能研究表明，二者均为混合型分子抑制剂，抑制效率与浓度正相关、与温度负相关，800 mg/L时分别达93.53%和85.17%。通过电化学、失重、SEM、EDS及DFT/MD模拟证实其吸附机制与结构活性关系，合成工艺绿色环保且产率超90%。

　　本研究聚焦于开发一种新型的、环境友好且高效的双席夫碱型腐蚀抑制剂，用于防止低碳钢在酸性环境中的腐蚀。在工业和化学领域，金属材料尤其是碳钢因其良好的延展性和可塑性而被广泛应用，这些特性使其能够满足特定结构设计的需求。然而，碳钢的高活性也导致其在酸性环境中极易发生腐蚀，尤其是在油气井酸化和化学设备酸洗过程中，腐蚀现象更为严重。腐蚀不仅会影响金属设备的使用寿命和性能，还可能引发严重的环境问题，如污染、火灾、爆炸等，造成巨大的经济损失。据统计，每年由于金属腐蚀造成的直接经济损失占各国GDP的2%至6%。因此，研究高效、便捷、低成本且环保的碳钢腐蚀抑制手段显得尤为重要，尤其是在碳钢设备和管道的酸洗过程中。

目前，金属腐蚀抑制的方法主要包括金属合金化、表面处理、电化学保护以及使用腐蚀抑制剂等。其中，腐蚀抑制剂因其操作简便、见效快、成本低等优点，成为当前金属腐蚀防护中最常用的一种方式。然而，尽管已有大量腐蚀抑制剂被开发，大多数仍存在合成过程复杂、应用步骤繁琐、成本较高以及对环境不友好等问题。此外，许多腐蚀抑制剂的结构与性能之间的关系尚不明确，这限制了其进一步优化和设计。近年来，席夫碱及其衍生物因其独特的分子结构和化学性质，被广泛应用于催化、医药、光致变色、分析等多个领域。同时，席夫碱也被报道为多种金属（如铝、锌、铜、镁等）的腐蚀抑制剂。尽管席夫碱在金属腐蚀抑制方面展现出良好的应用前景，但针对其作为酸洗抑制剂在低碳钢中的应用研究仍较为有限，特别是在设计原理和结构-活性关系方面的探索亟需深入。

因此，本研究旨在通过一步合成法合成新型的、环境友好且高效的席夫碱型腐蚀抑制剂，并深入探讨其结构与性能之间的关系，从而为未来席夫碱型腐蚀抑制剂的设计和开发提供理论支持和实践指导。在合成过程中，我们特别关注了抑制剂的合成步骤和原材料的使用情况，以确保其合成过程的简便性和环保性。此外，抑制剂的分子结构设计也考虑了其在酸性环境中的吸附行为和腐蚀抑制效果，以期在不引入有害元素（如磷和硫）的前提下，实现良好的抑制性能。通过实验研究，我们发现所合成的PAMMP和AIMM在1.0 M HCl溶液中表现出优异的腐蚀抑制性能，其抑制效率分别达到93.53%和85.17%（浓度为800 mg/L），并且具有良好的溶解性。这些性能指标表明，PAMMP和AIMM在酸性腐蚀防护领域具有广阔的应用前景。

为了验证PAMMP和AIMM在低碳钢表面的吸附行为，我们采用了多种实验手段，包括电化学测试、重量损失实验、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）等。其中，电化学测试是一种常见的评估腐蚀抑制性能的方法，通过测量极化电阻和双电层电容等参数，可以间接判断抑制剂的吸附能力和腐蚀抑制效果。此外，重量损失实验能够直接反映金属在腐蚀环境中的失重情况，从而计算出腐蚀速率和抑制效率。SEM和EDS则用于观察和分析抑制剂在金属表面的吸附形态和元素分布，进一步验证其吸附行为是否符合预期。通过这些实验手段的综合应用，我们能够全面了解PAMMP和AIMM在酸性环境中的腐蚀抑制机制。

除了实验手段，我们还利用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟进一步探讨了PAMMP和AIMM的腐蚀抑制机制。DFT模拟可以帮助我们分析抑制剂分子的电子结构和吸附能，从而揭示其在金属表面的吸附行为和作用机制。MD模拟则能够模拟抑制剂分子在溶液中的动态行为，观察其在金属表面的吸附过程和构型变化，从而更深入地理解其腐蚀抑制效果。通过这些计算方法，我们能够从分子层面揭示PAMMP和AIMM的结构-活性关系，为未来类似抑制剂的设计提供理论依据。

在合成过程中，我们采用了一步法，使得整个合成过程更加简便，减少了溶剂和原材料的消耗。同时，该反应的唯一副产物为水，且产率超过90%，符合国际社会倡导的绿色发展理念。这种高产率和低污染的合成方法不仅降低了生产成本，还减少了对环境的负担，使得PAMMP和AIMM在实际应用中更具优势。此外，PAMMP和AIMM的分子结构中不含磷和硫等有害元素，这在一定程度上减少了其在使用过程中对环境的污染，提高了其环保性。

实验结果显示，PAMMP和AIMM的腐蚀抑制效率与其浓度呈正相关，而与测试温度呈负相关。这意味着，在较低的浓度下即可实现较好的腐蚀抑制效果，但随着温度的升高，抑制效率会有所下降。这种温度依赖性可能与抑制剂分子在金属表面的吸附行为有关，因为温度升高可能会影响分子的运动速度和吸附能力。因此，在实际应用中，需要根据具体的环境条件（如温度）来选择合适的抑制剂浓度，以确保其最佳的腐蚀抑制效果。

为了进一步验证PAMMP和AIMM的吸附行为，我们还进行了水接触角的测量。水接触角可以反映材料表面的亲水性和疏水性，从而间接判断抑制剂分子在金属表面的吸附情况。实验结果表明，PAMMP和AIMM在金属表面的吸附行为能够显著改变其表面性质，使其更倾向于形成稳定的保护膜，从而有效减缓腐蚀过程。此外，EDS分析结果也支持了这一观点，表明抑制剂分子在金属表面的吸附过程中能够与金属表面发生一定的化学相互作用，形成具有保护作用的吸附层。

综上所述，本研究成功合成了两种双席夫碱型腐蚀抑制剂PAMMP和AIMM，并通过多种实验手段验证了其在酸性环境中的腐蚀抑制性能。实验结果表明，PAMMP和AIMM均属于混合型腐蚀抑制剂，能够同时影响金属的阳极和阴极反应，从而实现高效的腐蚀抑制效果。其抑制效率与浓度呈正相关，与温度呈负相关，表明在实际应用中需要合理控制抑制剂的浓度和使用环境。此外，PAMMP和AIMM的合成方法具有环保性和高产率的优势，使其在工业应用中更具可行性。通过DFT和MD模拟，我们进一步揭示了其分子结构与腐蚀抑制性能之间的关系，为未来类似抑制剂的设计和开发提供了重要的理论依据。

本研究的成果不仅为低碳钢在酸性环境中的腐蚀防护提供了新的解决方案，还为席夫碱型腐蚀抑制剂的设计和应用提供了有益的参考。在工业生产中，腐蚀防护是保障设备安全运行和延长使用寿命的重要环节，而高效的腐蚀抑制剂能够有效降低维护成本和环境污染风险。因此，PAMMP和AIMM的开发和应用具有重要的现实意义和应用价值。未来的研究可以进一步探索这两种抑制剂在不同酸性环境中的适用性，以及其在更复杂工况下的表现，从而推动其在实际工程中的广泛应用。此外，还可以结合其他表面处理技术，进一步优化其腐蚀防护效果，使其在更广泛的工业领域中发挥作用。