柑橘皮提取物对酸性环境中钢材腐蚀的抑制机制：实验与计算模拟研究

本研究针对传统化学腐蚀抑制剂的环境危害问题，创新性地采用柑橘皮提取物(TPE)作为绿色抑制剂，通过电化学阻抗谱(EIS)、动电位极化(PDP)和量子化学计算等方法，系统探究了TPE在1 M H2SO4溶液中对碳钢的腐蚀抑制性能。研究发现TPE在800 ppm浓度下抑制效率达88%，其含有的黄酮类化合物通过物理吸附形成保护层，分子动力学模拟揭示吸附能低至-226.882 kcal/mol。该研究为农业废弃物资源化利用和工业防腐技术提供了新思路。

　　

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。酸性环境下的钢材腐蚀尤为严重，传统化学抑制剂虽有效却存在环境毒性，这促使科学家将目光转向天然植物提取物。伊朗Semnan大学的AmirHossein Hafazeh和Hossein Tavakoli团队独辟蹊径，将日常被丢弃的柑橘皮变废为宝，在《Results in Chemistry》发表了一项融合实验与计算的前沿研究。

研究团队采用多尺度研究方法：通过电化学工作站进行EIS和PDP测试评估腐蚀速率，结合场发射扫描电镜(FE-SEM)和原子力显微镜(AFM)观察表面形貌，利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)鉴定提取物成分，并运用Materials Studio软件进行密度泛函理论(DFT)和分子动力学(MD)模拟。所有实验均采用市售碳钢样品，其成分经严格检测符合标准。

3.1 FT-IR分析

傅里叶变换红外光谱揭示了TPE富含羟基(-OH)、羰基(C=O)等活性基团，其中3664.50 cm^-1处的特征峰证实了酚类物质存在，这些官能团如同"分子抓手"为金属吸附提供活性位点。

3.2 失重实验

10天浸泡试验显示，TPE浓度与防腐效果呈正相关，800 ppm时腐蚀速率从0.0428 mg/cm²h降至0.0049 mg/cm²h，抑制率达88%，证明其可形成有效屏障。

3.3 电化学测试

极化曲线显示TPE使腐蚀电流密度从1.023 mA/cm²降至0.0692 mA/cm²，属于混合型抑制剂。EIS谱图呈现增大容抗弧，表明界面电荷转移阻力提升至161.5 Ω·cm²。

3.4 显微表征

FE-SEM图像对比显示，未处理样品表面呈现"月球坑"状腐蚀形貌，而TPE处理组表面平整。AFM定量分析表明表面粗糙度降低25%，RMS值从35.80 nm改善至27.25 nm。

3.5 吸附等温线

Langmuir模型拟合得出吸附自由能ΔG°_ads为-16.8 kJ/mol，证实物理吸附机制。单分子层覆盖理论解释浓度超过800 ppm时效率下降现象。

3.6 分子模拟

蒙特卡洛计算显示橙皮苷等成分通过π电子与Fe(110)晶面结合，其中Tangeretin吸附能最低(-226.882 kcal/mol)。DFT计算揭示黄酮分子HOMO-LUMO能隙为2.504 eV，表明电子转移活性优异。

这项研究实现了三个重要突破：首次系统阐明柑橘皮主要成分的协同防腐机制，建立实验数据与计算模型的对应关系，开发出抑制效率达93%的环保配方。特别是发现橙皮苷分子通过C=O基团与铁表面形成配位键，这为设计新型生物基抑制剂提供了理论蓝图。尽管在1000 ppm时出现效率轻微下降，研究仍证明农业废弃物可转化为高性能防腐剂，为循环经济发展提供了典范。未来研究可探索不同柑橘品种提取物的性能差异，以及与其他绿色抑制剂的协同效应。