双-5,6-甲基苯并咪唑-2-硫酮在盐酸溶液中对C38钢腐蚀抑制的合成、实验与理论研究

本研究针对工业酸洗过程中C38钢在1M HCl中的腐蚀问题，通过合成新型有机抑制剂bis-5,6-methylbenzimidazole-2-thione (MBMS)，结合电化学阻抗谱(EIS)、动电位极化(PDP)和量子化学计算(DFT)等方法，证实其抑制效率高达96.9%。该研究为开发高效环保型金属腐蚀抑制剂提供了理论依据和实践参考。

　　

在工业生产中，金属腐蚀如同无形的"慢性病"，每年造成全球经济损失高达数万亿美元。其中，碳钢在酸性环境中的腐蚀问题尤为突出，特别是在石油工业酸洗和化工设备领域。传统无机缓蚀剂虽有效但污染环境，而有机缓蚀剂因其可设计性和环境友好特性成为研究热点。N. Lahrache团队在《Hybrid Advances》发表的研究，聚焦于解决C38碳钢在1M HCl中的腐蚀难题，通过创新设计双-5,6-甲基苯并咪唑-2-硫酮(MBMS)分子，实现了理论与实验的完美结合。

研究人员采用多尺度研究方法：通过核磁共振(¹H/¹³C NMR)和红外光谱(IR)表征合成分子；运用电化学工作站进行极化曲线(PDP)和阻抗谱(EIS)测试；结合扫描电镜-能谱联用(SEM-EDX)观察表面形貌；采用密度泛函理论(DFT)计算分子轨道参数，并通过蒙特卡洛(MC)模拟预测吸附行为。所有实验均使用标准C38钢样品(成分：0.37%C, 0.23%Si等)。

【3.2 动电位极化研究】

极化曲线显示MBMS使腐蚀电流密度从600 μA/cm²(空白)降至11 μA/cm²(10^-4 M)，腐蚀电位偏移<85 mV，证实其为混合型抑制剂。浓度依赖实验表明，10^-4 M时抑制效率达97.13%，显著优于对比化合物。

【3.3 电化学阻抗谱】

Nyquist图显示添加MBMS后电荷转移电阻(R_p)从34.7 Ω·cm²提升至1128 Ω·cm²，双电层电容(C_dl)从121 μF/cm²降至19.7 μF/cm²，证明其形成致密吸附层。

【3.4 吸附等温线】

Langmuir模型(R²=0.999)拟合最佳，吸附自由能ΔG_ads=-45.11 kJ/mol，表明MBMS通过化学吸附形成单分子层。

【3.7 理论计算】

DFT计算揭示MBMS的HOMO轨道(-5.735 eV)主要分布在硫原子和苯环，LUMO轨道(-0.488 eV)位于咪唑环，能隙ΔE=5.246 eV。电子转移数ΔN=0.741，证实电子给体特性。分子静电势(MEP)显示硫原子区域电子密度最高，与MC模拟显示的平行吸附构象(-2789 kcal/mol结合能)相互印证。

这项研究创新性地将实验观测与理论预测相结合，证实MBMS通过硫原子与铁表面的配位作用，形成能量稳定的保护层。其96.9%的抑制效率超越了文献报道的多数苯并咪唑衍生物，为设计含硫杂环缓蚀剂提供了分子设计模板。特别值得注意的是，质子化形式的MBMS在酸性环境中通过反向电子转移(ΔE_{Back-donation}=-0.655 eV)进一步增强吸附稳定性，这一发现对酸性介质缓蚀剂开发具有重要指导意义。研究团队来自摩洛哥穆罕默德五大学，其成果不仅解决了工业酸洗中的金属腐蚀问题，也为绿色缓蚀剂的计算机辅助设计开辟了新途径。