十二烷基二甲基甜菜碱两性表面活性剂作为H3PO4介质中绿色高效的新型钢腐蚀抑制剂

《Materials Today Communications》：Amphoteric surfactant of dodecyl dimethyl betaine as a green and efficient inhibitor for steel corrosion in H 3PO 4 media

该研究系统评估了阴离子表面活性剂十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）作为绿色缓蚀剂在磷酸介质中抑制冷轧钢腐蚀的性能，发现其100 mg/L浓度下50°C时抑制效率达90.3%，遵循Langmuir吸附等温式，理论计算表明活性位点主要位于-CH2COO?和N?原子，形成混合型缓蚀机制，为工业应用提供理论支撑。

　　金属材料在现代工业中扮演着至关重要的角色，广泛应用于建筑、机械制造、石油、化工和交通运输等领域。然而，金属材料在使用过程中常常面临腐蚀问题，这不仅会导致材料的浪费，影响工程质量和安全性，还会造成巨大的经济损失。因此，研究金属材料的防腐蚀技术，提高其防腐蚀性能，以延长使用寿命、降低生产成本并确保工程安全，具有重要的现实意义。目前，已有多种防腐蚀措施被广泛应用，如添加防腐蚀剂、表面处理、涂层保护和阴极保护等。其中，添加防腐蚀剂是一种简单、经济且易于实施的方法，已被广泛采用。

防腐蚀剂的选择至关重要，理想的防腐蚀剂应具备高效性、低毒性和成本效益等优点。在众多类型的防腐蚀剂中，表面活性剂因其独特的化学结构和优异的性能，成为研究的热点。表面活性剂通常分为离子型（如阳离子型、阴离子型）和非离子型，其中两性表面活性剂因其兼具阳离子和阴离子特性，表现出更出色的防腐蚀效果。这类表面活性剂不仅具有良好的水溶性和生物降解性，还因其独特的化学结构而展现出更强的吸附能力，使其成为绿色防腐蚀剂的有力候选。

在已有的研究中，两性表面活性剂被证明在多种酸性或碱性环境中均能有效抑制金属的腐蚀。例如，在盐酸（HCl）溶液中，N-烷基两性表面活性剂被证实为铁的有效防腐蚀剂。而在氢氧化钠（NaOH）溶液中，两性表面活性剂的季铵盐衍生物也表现出良好的防腐蚀性能。这些研究显示，两性表面活性剂在不同的腐蚀环境中均具有广泛的应用前景。然而，对于在磷酸（H?PO?）介质中使用两性表面活性剂作为防腐蚀剂的研究仍较为有限。

磷酸是一种常见的无机酸，广泛应用于金属表面处理、肥料生产和日常生活。许多家用除垢剂（如电水壶和浴室瓷砖清洁剂）以及厕所清洁剂都含有磷酸作为主要活性成分。此外，磷酸还被用作生产磷酸盐肥料的核心原料，并常用于金属除锈剂和磷化液（如汽车维修和金属家具预处理）。尽管磷酸属于中等强度的酸，其腐蚀性依然较为显著。在工业生产或日常使用过程中，金属设备（如输送管道、储罐和排水管）若长期暴露于磷酸介质中，将经历持续且缓慢的腐蚀过程，进而导致设备损坏和使用寿命缩短。因此，寻找有效的防腐蚀剂以抑制磷酸对金属的腐蚀具有重要意义。

表面活性剂作为一种防腐蚀剂，能够有效降低磷酸对钢铁的腐蚀作用。其中，十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）作为一种两性表面活性剂，因其低成本和优异的表面活性而受到关注。BS-12的分子结构包含一个亲水部分，即一个季铵盐阳离子（N?）和一个羧酸根阴离子（-CH?COO?），以及一个疏水部分，即一个十二烷基链（-C??H??）。这种结构使其能够有效地在介质中分散和溶解，并在金属表面形成一层疏水性的保护膜，从而降低腐蚀速率。

目前，虽然已有研究探讨了BS-12作为防腐蚀剂的性能，但主要集中在盐酸或氢氧化钠等其他酸碱环境中，而在磷酸介质中的应用研究尚不多见。因此，本研究旨在系统评估BS-12在磷酸介质中对冷轧钢（CRS）的防腐蚀性能，填补这一研究领域的空白。通过实验和理论计算相结合的方法，本研究不仅分析了BS-12在不同浓度和温度条件下的防腐蚀效果，还深入探讨了其在钢铁表面的吸附行为及其作用机制。

实验结果显示，BS-12在磷酸介质中表现出显著的防腐蚀能力。在100 mg/L的浓度下，BS-12对CRS的腐蚀抑制效率高达90.3%，这一结果表明其在磷酸介质中具有极高的应用潜力。此外，BS-12的吸附行为符合朗缪尔吸附等温线，且吸附过程为自发进行。这些特性表明BS-12能够在金属表面形成稳定的吸附层，从而有效阻隔腐蚀介质与金属基体的接触。

电化学测试进一步验证了BS-12的混合型抑制特性，即其能够同时影响金属表面的阳极和阴极反应，从而实现对腐蚀过程的全面控制。微观形貌分析显示，经过BS-12处理后的CRS表面较为平整，且表现出更强的疏水性，这表明BS-12在金属表面形成了有效的保护层。理论计算则进一步揭示了BS-12在铁表面的活性位点及其吸附构型，指出其亲水部分的N?和-COO?基团在金属表面具有较强的吸附能力，这为理解其防腐蚀机制提供了重要的理论支持。

本研究的发现表明，BS-12在磷酸介质中对冷轧钢的防腐蚀性能极为优异，具有广泛的应用前景。作为一种绿色防腐蚀剂，BS-12不仅具备高效的防腐蚀能力，还因其低毒性和良好的生物降解性而符合现代工业对环保材料的需求。通过本研究的系统分析，为未来工业应用中使用BS-12作为防腐蚀剂提供了坚实的理论基础和实践指导。

在实验方法方面，本研究采用多种手段对BS-12的防腐蚀性能进行了全面评估。首先，通过重量损失法测定不同浓度和温度条件下BS-12对CRS的腐蚀抑制效果。该方法通过比较添加BS-12前后的金属质量变化，计算出腐蚀速率和抑制效率。结果显示，在100 mg/L的浓度下，BS-12对CRS的腐蚀速率显著降低，抑制效率高达90.3%。这表明BS-12在磷酸介质中具有极强的抑制能力。

其次，本研究利用电化学测试手段，如极化曲线和电化学阻抗谱（EIS），对BS-12的防腐蚀性能进行了深入分析。极化曲线测试显示，BS-12能够有效降低金属表面的腐蚀电流密度，表明其对金属表面的腐蚀反应具有抑制作用。电化学阻抗谱测试则进一步揭示了BS-12在金属表面形成的保护膜的性质，包括其厚度、均匀性和稳定性。这些测试结果共同表明，BS-12在磷酸介质中能够形成有效的保护层，从而显著降低金属的腐蚀速率。

此外，本研究还采用了微观形貌分析技术，如扫描电子显微镜（SEM）和接触角测试，以评估BS-12对金属表面的影响。SEM图像显示，经过BS-12处理后的CRS表面较为平整，与未处理的金属表面相比，表面粗糙度明显降低。接触角测试则表明，BS-12处理后的金属表面表现出更强的疏水性，这进一步支持了其在金属表面形成保护层的假设。这些微观分析结果为理解BS-12的防腐蚀机制提供了直观的证据。

理论计算方面，本研究采用分子动力学模拟和密度泛函理论（DFT）计算，以分析BS-12在金属表面的吸附行为及其作用机制。分子动力学模拟结果显示，BS-12能够有效吸附在金属表面，并在表面形成稳定的吸附构型。DFT计算则进一步揭示了BS-12的活性位点，指出其亲水部分的N?和-COO?基团在金属表面具有较强的吸附能力。这些计算结果不仅解释了BS-12在金属表面的吸附机制，还为其在不同环境中的应用提供了理论依据。

综上所述，本研究通过实验和理论计算相结合的方法，系统评估了BS-12在磷酸介质中对冷轧钢的防腐蚀性能。实验结果表明，BS-12在不同浓度和温度条件下均能有效降低金属的腐蚀速率，且其吸附行为符合朗缪尔吸附等温线，吸附过程为自发进行。电化学测试进一步证实了BS-12的混合型抑制特性，而微观形貌分析则揭示了其在金属表面形成的保护层的特性。理论计算则深入探讨了BS-12的活性位点及其吸附构型，为理解其防腐蚀机制提供了重要的理论支持。

本研究的成果不仅拓展了BS-12在不同腐蚀环境中的应用范围，还为开发高效、环保的金属防腐蚀剂提供了新的思路。BS-12作为一种绿色防腐蚀剂，其优异的性能和环保特性使其在工业应用中具有广阔前景。未来，随着对BS-12研究的深入，有望将其应用于更多类型的金属材料和腐蚀环境中，从而进一步提高金属材料的防腐蚀性能，延长其使用寿命，降低生产成本，并确保工程安全。

在实际应用中，BS-12可以作为磷酸介质中的防腐蚀剂，用于金属表面处理、酸洗工艺以及各种工业设备的防腐蚀保护。由于其低成本和优异的性能，BS-12有望成为替代传统防腐蚀剂的理想选择。此外，BS-12的生物降解性使其在环保方面具有显著优势，符合当前工业对可持续发展的需求。因此，本研究不仅为金属材料的防腐蚀技术提供了新的解决方案，还为相关行业的绿色转型提供了重要的技术支持。

本研究的创新点在于系统评估了BS-12在磷酸介质中的防腐蚀性能，填补了该领域研究的空白。通过实验和理论计算的结合，本研究不仅验证了BS-12的高效防腐蚀能力，还深入探讨了其作用机制，为未来的研究和应用提供了理论基础。此外，本研究还强调了BS-12的绿色特性，为其在工业中的广泛应用奠定了基础。这些研究成果对于推动金属材料防腐蚀技术的发展，以及促进绿色化学和可持续工业实践具有重要意义。

本研究的实施依赖于多个实验和理论计算方法的综合应用。首先，材料的选取和制备是实验的基础。冷轧钢（CRS）作为研究对象，其元素组成（质量分数，%）为0.28 Mn、0.05 C、0.02 S、0.02 P和其余Fe。这种材料的特性使其成为研究金属腐蚀和防腐蚀技术的理想选择。其次，实验条件的控制也是关键因素。磷酸（85%）被稀释至5.0 M和1.0 M，以模拟不同的工业环境。BS-12作为实验材料，其纯度和来源均符合实验要求，确保了实验结果的准确性和可靠性。

在实验过程中，重量损失法和电化学测试是主要的评估手段。重量损失法通过测量金属在腐蚀介质中的质量变化，计算出腐蚀速率和抑制效率。这种方法简单直观，能够有效反映BS-12对金属腐蚀的抑制效果。电化学测试则提供了更深入的分析，通过极化曲线和电化学阻抗谱等手段，评估BS-12对金属表面电化学反应的影响。这些测试结果不仅验证了BS-12的防腐蚀性能，还揭示了其作用机制。

微观形貌分析和理论计算进一步支持了实验结果。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，BS-12处理后的金属表面较为平整，这表明其在金属表面形成了有效的保护层。接触角测试则表明，BS-12处理后的金属表面表现出更强的疏水性，这一特性有助于减少腐蚀介质与金属表面的接触，从而降低腐蚀速率。理论计算则从分子层面揭示了BS-12的吸附行为和活性位点，为理解其防腐蚀机制提供了重要的理论依据。

本研究的成果不仅具有学术价值，还具有重要的实际意义。在工业应用中，BS-12可以作为磷酸介质中的防腐蚀剂，用于各种金属材料的保护。由于其低成本和优异的性能，BS-12有望成为替代传统防腐蚀剂的理想选择。此外，BS-12的生物降解性使其在环保方面具有显著优势，符合当前工业对可持续发展的需求。因此，本研究的发现为金属材料的防腐蚀技术提供了新的解决方案，也为相关行业的绿色转型提供了重要的技术支持。

本研究的结论表明，BS-12在磷酸介质中对冷轧钢的防腐蚀性能极为优异，其吸附机制和作用方式为工业应用提供了坚实的理论基础。未来，随着对BS-12研究的深入，有望将其应用于更多类型的金属材料和腐蚀环境中，从而进一步提高金属材料的防腐蚀性能，延长其使用寿命，降低生产成本，并确保工程安全。同时，本研究的成果也为开发高效、环保的金属防腐蚀剂提供了新的思路，推动了绿色化学和可持续工业实践的发展。