咪唑化合物在酸性介质中对低碳钢腐蚀的抑制作用：电化学技术、表面表征及理论分析

《Journal of Molecular Structure》：Inhibitory Performance of Imidazole Compounds Against Mild Steel Corrosion in Acidic Media: Electrochemical Techniques, Surface Characterization, and theoretical Analysis

该研究通过质量损失、极化曲线和阻抗谱分析，考察了两种有机化合物IM-N(CH3)2和IM-NO2对1.0 M HCl中 mild steel腐蚀的抑制效果。实验表明IM-N(CH3)2抑制效率达94.7%，IM-NO2为94%，两者均符合Langmuir吸附模型，并在298-328K温度范围内有效抑制。表面分析及DFT/MC模拟证实其通过吸附于金属表面干扰阳极/阴极反应实现防护。

　　

Redouane Lachhab | Otmane Kharbouch | Elhachmia Ech-chihbi | Zakia Aribou | Mohamed Rbaa | Moussa Ouakki | Mohamed Ebn Touhami

摩洛哥凯尼特拉伊本·托法伊尔大学科学学院先进材料与工艺工程实验室，邮编133-14000

摘要

本研究通过质量损失测定、电位动力学极化曲线分析和电化学阻抗测量，研究了有机化合物N,N-二甲基-4-(1,4,5-三苯基-1H-咪唑-2-基)苯胺（IM-N(CH?)?）和2-(4-硝基苯基)-1,4,5-三苯基-1H-咪唑（IM-NO?）对1.0 M盐酸中低碳钢腐蚀的抑制作用。在所测试的化合物中，IM-N(CH?)?能够降低钢在1.0 M HCl环境中的腐蚀速率。同时，还研究了抑制剂浓度和电极浸没时间对钢腐蚀速率的影响。研究采用了表面分析技术（SEM-EDX）和电化学方法。研究表明，这些抑制剂通过吸附作用在金属表面起作用，且这种吸附遵循朗缪尔等温线。实验温度范围为298至328K，结果表明IM-NO?和IM-N(CH?)?均能显著抑制腐蚀。其中，IM-NO?在浓度为10^-3 M时抑制效率达到94%，而IM-N(CH?)?的抑制效率略高，为94.7%。此外，还利用密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛（MC）模拟来探讨其抗腐蚀机制，以验证实验结果。

引言

低碳钢因其优异的物理和机械性能（如良好的延展性、高抗拉强度和成本效益）而在工业中得到广泛应用。然而，它容易在腐蚀性环境中发生腐蚀，导致严重的经济损失。每年，腐蚀对全球经济造成巨大影响，通过化学、生物和电化学反应导致金属材料降解[1,2]。电化学腐蚀过程主要涉及溶液中的物质与金属表面之间的复杂相互作用。腐蚀抑制机制可以中断这一过程的特定阶段，例如腐蚀性物质在溶液中的传输、它们在金属表面的吸附或电子转移反应[3]。这一现象影响众多工业领域，引发环境危害（如化学泄漏和污染）、需要更换腐蚀部件以及生产中断，从而导致重大经济损失。在各种材料处理过程中（包括热处理或化学处理[4,5]、锅炉或油井的酸洗和清洗），以及某些行业中使用盐水作为冷却液，都会加速腐蚀过程，因此需要立即采取干预措施。为应对这些挑战，人们开发并实施了多种保护技术。其中最有效且广泛采用的方法包括阴极保护系统、先进的金属和聚合物保护涂层，以及通过化学处理改变腐蚀环境[6,7]。这种抑制策略在工业界和科学研究领域得到广泛应用，其核心是将低浓度的腐蚀抑制剂引入腐蚀环境中。这些抑制剂必须满足严格的标准：环境兼容性、成本效益和易于应用[8]。它们的主要功能是减缓或完全防止金属材料与其腐蚀性环境之间的溶解反应。有机化合物在各种工业应用中作为腐蚀抑制剂表现出显著的效果[9]。这些有机抑制剂的机制最初涉及在金属表面的吸附，随后通过改变金属表面的双电层来显著减缓腐蚀反应动力学。大多数有机抑制剂来源于石油工业[12]，其分子结构包含两个区域：一个由碳和氢原子组成的非极性、疏水且相对庞大的部分，以及一个含有一个或多个特定官能团的亲水极性区域[13]。本研究比较评估了两种有机化合物N,N-二甲基-4-(1,4,5-三苯基-1H-咪唑-2-基)苯胺（IM-N(CH?)?）和2-(4-硝基苯基)-1,4,5-三苯基-1H-咪唑（IM-NO?）作为1.0 M HCl介质中低碳钢腐蚀抑制剂的性能。

本研究采用多技术实验方法，结合了重量分析、电化学研究（电位动力学极化和阻抗谱分析）以及扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM-EDX）的形态学表征。实验结果表明，这些化合物在1.0 M盐酸介质中能有效抑制钢的腐蚀。参数研究重点关注抑制剂浓度和浸没时间对腐蚀动力学的影响。电位动力学分析显示这些抑制剂具有混合型抑制特性，能够同时调节阳极和阴极过程。机制研究表明其吸附过程遵循朗缪尔等温线模型。温度影响在298-328K范围内进行了评估。然而，仅靠实验方法不足以完全阐明其抑制机制。基于DFT和MC模拟的理论研究有助于建立所研究分子的结构-效率关联。

材料与溶液

本研究使用的工作电极由低碳钢制成，其化学成分（重量百分比）为：碳（0.11%）、硅（0.24%）、锰（0.47%）、硫（0.040%）、钼（0.02%）、铬（0.12%）、镍（0.1%）、铝（0.030%）、钴（≤0.0012%）、铜（0.03%）、钒（≤0.003%）、钨（0.06%），以铁作为基体元素。腐蚀介质为1.0 M盐酸溶液，通过稀释市售盐酸（37% w/w）制备而成。

重量分析

抑制效率的评估在控制实验条件下进行，即温度维持在298K，大气压下浸泡6小时后进行。为确保结果的可重复性，每种抑制剂浓度进行了三次测量。抑制效率（ηCR）根据以下公式（1）计算[18]： $({\eta }_{CR}\%$ ${\eta }_{CR}=\left(\frac{CR?C{R}_{InCR}}{}\right)$

其中CR表示样品浸泡后的质量损失，CR_inh表示未受抑制时的质量损失。

结论

研究结果表明，IM-N(CH?)?和IM-NO?是有效的抑制剂，能够有效抑制1.0 M盐酸中的低碳钢腐蚀。电位动力学极化结果证实了它们的混合型抑制特性，有效减少了金属的阳极溶解和阴极氢气释放反应。电化学阻抗谱（EIS）也证明了这两种抑制剂的抑制效果。

未引用参考文献

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CRediT作者贡献声明

Redouane Lachhab：撰写初稿、数据分析、概念构思。 Otmane Kharbouch：数据可视化、验证。 Elhachmia Ech-chihbi：撰写初稿、数据可视化、验证。 Zakia Aribou：方法论设计、实验研究、概念构思。 Mohamed Rbaa：资源提供、数据分析。 Moussa Ouakki：撰写初稿、数据可视化、验证。 Mohamed Ebn Touhami：审稿与编辑、数据可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。