《Surfaces and Interfaces》：Multi-Method Examination of Ezetimibe as a Corrosion Inhibitor for Mild Steel in 1 M HCl Corrosive Media: Integrating Molecular Dynamics, Electrochemical Testing, and Morphological Analysis
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本研究评估了依折麦布作为缓蚀剂在1M HCl溶液中对低碳钢的腐蚀抑制性能，结合电化学、光谱及计算方法，证实其最佳浓度为200 ppm时抑制效率达95.69%，并形成均匀纳米保护层，为医药材料在防腐蚀中的应用提供新思路。
阿比纳伊·塔库尔（Abhinay Thakur）|阿卜杜勒卡德尔·扎鲁克（Abdelkader Zarrouk）|马尼卡姆·塞尔瓦拉杰（Manickam Selvaraj）|古尔贾斯普里特·辛格（Gurjaspreet Singh）|奥马尔·达格达格（Omar Dagdag）|阿夫尼·贝里沙（Avni Berisha）|汉桑·金（Hansang Kim）|瓦伦丁·奇卡奥迪利·阿纳德贝（Valentine Chikaodili Anadebe）|萨瓦斯·卡亚（Savas Kaya）|阿希什·库马尔（Ashish Kumar）
研究与开发部，洛维专业大学（Lovely Professional University），印度旁遮普邦法格瓦拉（Phagwara），邮编144411
摘要
本研究采用电化学、光谱学和计算技术，探讨了依折麦布（ezetimibe）在1 M HCl溶液中对低碳钢的腐蚀抑制性能。研究使用了电化学阻抗谱（EIS）和电位动态极化（PDP）等方法来评估其腐蚀抑制效率。同时，还利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）和计算分析来深入研究该抑制剂对金属的腐蚀抑制行为。EIS结果显示，在200 ppm浓度下，抑制效率最高达到95.69%；此时电荷转移电阻（Rct）从20.92 Ω cm2（空白样品）增加到500.78 Ω cm2（受抑制样品）。SEM和AFM的表面形貌分析表明，受抑制样品的表面比未受腐蚀的空白样品更加光滑均匀。密度泛函理论（DFT）计算显示其能隙（ΔEgap = 4.248 eV）较低，表明分子吸附作用较强。这项研究将药物依折麦布重新应用于绿色高效的腐蚀抑制剂领域，实现了药物化学与表面工程的结合。多尺度分析证实了其强大的保护作用，为其在酸洗、石化系统和管道保护中的实际应用提供了支持。
引言
腐蚀问题带来了巨大的经济和环境挑战，尤其是对于广泛应用于建筑和制造业的低碳钢而言[1,2]。美国腐蚀工程师协会（NACE）估计，腐蚀每年给美国经济造成的损失约为2760亿美元，占美国GDP的3.1%[3,4]。在基础设施方面，大约30%的维护预算用于腐蚀相关维修；美国土木工程师协会（ASCE）报告称，到2025年美国需要投资4.5万亿美元来改善基础设施，其中大部分基础设施受到腐蚀的影响[5,6]。腐蚀的影响还体现在特定行业：在石油和天然气行业中，腐蚀成本可占维护费用的40%；在交通运输领域，腐蚀相关问题每年导致约10亿美元的车辆维护费用[7,8]。当低碳钢暴露在盐酸（HCl）等腐蚀性环境中时，极易发生腐蚀，从而导致结构完整性受损，造成重大的经济和环境损失[9], [10], [11]。因此，开发有效的腐蚀抑制剂对于提高低碳钢组件的耐用性和可靠性至关重要。腐蚀抑制是通过向金属环境添加化学化合物来减缓腐蚀过程[12,13]。近年来，一些研究人员评估了药物作为腐蚀介质中有效抑制剂的应用。例如，Shoair等人[14]报道了特拉佐辛（terazosin）在水相1 M HCl溶液中对1018碳钢（CS）的腐蚀抑制效果，其在25°C、150 ppm浓度下的抑制效率为94.8%。Belhadj等人[15]发现Progynova 2 mg（戊酸雌二醇）在30°C、600 ppm浓度下对低碳钢的腐蚀抑制效率为94.27%。Bejandi等人[16]表明，药物Closantel在最佳剂量（800 ppm）下表现出显著的抑制效果（高达95.5%）。
依折麦布的化学式为C24H21F2NO3，分子量为409.4 g/mol，主要因其调节胆固醇的作用而闻名（图1）。然而，其含有芳香环、羟基和氟原子等化学结构，使其在腐蚀抑制方面具有潜在的应用价值[17], [18], [19]。该分子中的芳香环（如吡啶环）能够与金属表面发生π-π相互作用[20,21]，氟原子的存在进一步增强了这种相互作用。氟的高电负性会影响分子的电子分布，可能影响其与金属表面的相互作用。氟原子的吸电子性质可以改变分子的电子环境，从而增强其与金属的吸附和相互作用能力。由于这些结构特点，依折麦布可通过多种方式抑制腐蚀：其平面结构和官能团可在金属表面形成保护层，屏蔽盐酸等腐蚀性物质；官能团的电子给体作用和氟原子的吸电子作用会影响这些相互作用的强度和性质。
与仅依赖电化学测试的传统研究不同，本研究结合了XPS、AFM和基于径向分布函数（RDF）的分子动力学（MD）模拟，提供了关于抑制剂吸附行为的多尺度机制洞察。通过Fukui指数、HOMO-LUMO电子密度和径向分布函数（RDF）分析的相关性，本研究加深了对吸附机制的理解，将官能团的局部反应性与表面钝化现象联系起来。-212.15 kcal/mol的吸附能在Fe(1 1 0)表面的高吸附能进一步证实了强化学吸附作用，这一结果通过XPS和AFM观察到的均匀纳米级抑制剂膜得到了验证。实验方法（如重量损失分析、电化学阻抗谱（EIS）、扫描电子显微镜（SEM）等）提供了依折麦布防腐蚀效果的证据。研究表明其最大抑制效率达95.69%，使其成为在酸性介质中研究过的最有效的有机抑制剂之一。该研究不仅展示了其高效的抑制性能，还提出了一种环保的替代方案，为绿色界面工程在腐蚀控制中的应用开辟了新途径。由于1 M HCl在酸洗、清洗和除垢等工业过程中广泛应用，它是评估腐蚀抵抗性和抑制剂性能的代表性且相关的介质。因此，选择1 M HCl环境使研究结果可以直接应用于实际腐蚀系统。依折麦布在腐蚀抑制中的应用不仅体现了药物化合物的新用途，还展示了跨学科研究的潜力，将药物化学与材料科学相结合。这种策略可能促进新型环保腐蚀抑制剂的发展，拓展了药物的作用范围。
材料
所用钢材的成分包括0.08%的碳（C）、1.27%的锰（Mn）、0.01%的硅（Si）、0.02%的磷（P）和98.62%的铁（Fe）。选择这种合金是因为其在结构应用中的典型用途，为评估腐蚀抵抗力提供了参考基准[22], [23], [24]。样品制备过程注重细节，以确保结果的一致性和可靠性。
电位动态极化（PDP）
在本研究的PDP实验中，金属样品在不同浓度的抑制剂作用下处于腐蚀环境中。如表1所示和图2所示，研究内容包括测定icorr、Ecorr、阴极（βc）和阳极（βa）反应。当依折麦布浓度从50 ppm升高到200 ppm时，腐蚀抑制效果发生变化。较低的抑制剂浓度主要吸附在金属表面的阳极区域，从而
吸附机制
物理吸附和化学吸附的动力学在决定依折麦布等抑制剂在1 M HCl等恶劣环境中的行为时起着关键作用。依折麦布在低碳钢表面的初始吸附可能是通过物理吸附实现的，这种吸附基于静电相互作用或弱范德华力。这一过程形成的初步屏障快速且可逆，提供部分保护。然而，由于键合能较低研究局限性
本研究在298 K和1 M HCl条件下进行，这代表了常见的酸洗和清洗条件。本研究未详细探讨温度升高和浸泡时间延长对腐蚀过程的影响。模拟假设了Fe(1 1 0)表面，但也可应用于其他表面。在推广研究结果时，应考虑长期稳定性、机械耐久性和在不同pH条件下的性能等限制因素结论
本研究结合实验和计算方法，提供了关于依折麦布在酸性环境中腐蚀抑制特性的重要新信息。主要结论包括：
•依折麦布在1 M HCl溶液中对低碳钢表现出优异的腐蚀抑制效果，在200 ppm浓度下抑制效率高达95.69%。表面分析（SEM、EDX、AFM和XPS）证实了金属表面形成了保护性抑制剂层。
作者贡献声明
阿比纳伊·塔库尔（Abhinay Thakur）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件使用、资源协调。阿卜杜勒卡德尔·扎鲁克（Abdelkader Zarrouk）：实验研究、数据分析。马尼卡姆·塞尔瓦拉杰（Manickam Selvaraj）：资源管理、项目协调、资金筹集。古尔贾斯普里特·辛格（Gurjaspreet Singh）：数据分析。奥马尔·达格达格（Omar Dagdag）：实验研究、数据分析。阿夫尼·贝里沙（Avni Berisha）：资源协调、方法学设计、实验研究。汉桑·金（Hansang Kim）：资源协调、数据分析。瓦伦丁·奇卡奥迪利·阿纳德贝（Valentine Chikaodili Anadebe）：数据分析
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢King Khalid大学的科学研究部门通过项目编号R.G.P. 2/744/46资助本研究，并感谢沙特阿拉伯King Khalid大学的先进材料研究中心（RCAMS）提供的宝贵技术支持。
