氮硫共掺杂碳点增强碳钢在硫酸中缓蚀性能的作用探究

本研究针对碳钢在酸性环境中易腐蚀的问题，通过水热法合成了氮掺杂碳点(N-CDs)和氮硫共掺杂碳点(NS-CDs)，系统评估了它们作为环保型缓蚀剂在0.5 M H2SO4中对碳钢的防护效果。结果表明NS-CDs具有98%的缓蚀效率和极低的腐蚀电流密度(~10-3 mA/cm2)，其通过形成致密吸附膜和增强电荷转移电阻(4964 ohm cm2)显著提升防护性能，为开发高效绿色缓蚀剂提供了新思路。

　　

在工业领域的酸洗、除垢和油井酸化等过程中，碳钢因其优异的机械性能和成本效益而广泛应用，然而其在酸性环境中的腐蚀问题始终是制约其使用寿命的关键因素。传统的有机缓蚀剂虽然有效，但大多存在毒性强、成本高和环境不友好等缺点，这与当前绿色化工的发展理念相悖。近年来，碳点(carbon dots, CDs)作为一种新型碳纳米材料，凭借其低毒性、水溶性和环境友好特性，在腐蚀防护领域展现出巨大潜力，特别是通过杂原子掺杂可进一步优化其电子结构和表面活性，从而增强与金属表面的相互作用。

J.J. Martinez-Gonzalez等研究人员在《Results in Chemistry》发表了关于氮硫共掺杂碳点(NS-CDs)增强碳钢在硫酸中缓蚀性能的研究。该团队通过系统比较不同氮含量的氮掺杂碳点(N-CDs)和氮硫共掺杂碳点(NS-CDs)的防护效果，揭示了双掺杂策略对提升缓蚀性能的关键作用。研究发现NS-CDs能实现98%的缓蚀效率，同时将腐蚀电流密度降低至~10^-3 mA/cm²水平，显著优于传统缓蚀剂和单掺杂碳点，这为开发新一代绿色高效缓蚀剂提供了重要理论基础和实践指导。

研究人员采用水热合成法(160°C, 14 h)以柠檬酸和尿素/硫脲为前体制备碳点，通过荧光光谱、紫外可见吸收光谱和X射线光电子能谱(XPS)进行表征；使用失重法、动电位极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)评估缓蚀性能；结合扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)分析表面形貌；采用Langmuir吸附等温线分析吸附行为。所有实验均在0.5 M H₂SO₄体系中进行，碳钢样品成分为0.21% C, 0.38% Si, 0.09% P, 0.01% Al, 0.05% Mn和0.05% S。

3.1. Characterization of carbon dots (CDs)

通过高分辨透射电镜(HRTEM)证实碳点呈球形且分散良好，平均尺寸为2.9 nm。紫外光谱显示220 nm和339 nm处的特征吸收峰分别对应C=C的π-π跃迁和C=O/C=N的n-π跃迁。XPS分析证实NS-CDs中存在吡啶氮(399.6 eV)和吡咯氮(401.4 eV)，以及C-S/C=S(163.3 eV)等关键官能团。

3.2. Weight loss results

失重测试表明所有碳点均能降低钢的腐蚀速率，且效果随浓度增加而增强。NS-CDs表现最佳，在400 ppm浓度下缓蚀效率达95%，且吸附行为符合Langmuir等温模型。吸附自由能(ΔG_ads⁰)介于-22.3至-26.7 kJ/mol，表明以物理吸附为主的自发过程。

3.3. Potentiodynamic polarization curves

极化曲线显示碳点同时抑制阳极溶解和阴极析氢反应，表现为混合型缓蚀剂特征。NS-CDs使腐蚀电流密度从3×10^-1 mA/cm²降至6×10^-3 mA/cm²，缓蚀效率达98%，且脱附电位(-300 mV)高于单掺杂碳点，表明更稳定的吸附状态。

3.4. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results

EIS数据显示NS-CDs使电荷转移电阻(R_ct)从50 ohm cm²显著增加至4964 ohm cm²，同时双电层电容降低，表明形成了有效的屏障层。Bode图显示NS-CDs组存在两个时间常数，对应电荷转移过程和保护膜的形成。

3.5. Surface characterization

SEM和AFM分析直观证实NS-CDs处理后的表面最光滑，平均粗糙度仅1.50 nm，远低于空白组(3.00 nm)和N-CDs组(2.69 nm)，表明其能形成更致密的保护膜。

3.6. Corrosion mechanism

缓蚀机制包含物理吸附(静电作用和范德华力)和化学吸附(氮/硫原子与铁空轨道的配位键合)。NS-CDs中吡啶氮和噻吩硫的协同作用增强了吸附强度和疏水性，通过Fe-N和Fe-S键有效阻断腐蚀电子的转移。

本研究证实氮硫共掺杂碳点(NS-CDs)在硫酸环境中对碳钢具有卓越的缓蚀性能，其98%的缓蚀效率和极低的腐蚀电流密度(~10^-3 mA/cm²)显著优于传统缓蚀剂和单掺杂碳点。通过多种表征手段证明NS-CDs通过物理-化学混合吸附机制在金属表面形成致密保护层，有效抑制电荷转移过程和金属溶解反应。该研究不仅为绿色缓蚀剂开发提供了新思路，更展示了杂原子掺杂策略在材料表面工程中的巨大潜力，对延长工业设备寿命和减少环境污染具有重要实践意义。