幼果菠萝蜜皮水提物在中性和碱性含氯环境中提高钢耐腐蚀性能的作用

《Results in Surfaces and Interfaces》：The role of young jackfruit peal - water extract in the improved corrosion resistance of steel in neutral and alkaline chloride-containing environments

　　

本研究调查了幼果菠萝蜜皮水提物（YJPWE）对碳钢在中性和碱性介质中的腐蚀抑制性能。采用电化学技术，包括电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化（PD），评估了有无该提取物在不同浓度下碳钢的抑制效率和腐蚀行为。结果表明，YJPWE在两种介质中均能作为有效的腐蚀抑制剂，且抑制效率具有浓度依赖性。值得注意的是，YJPWE在中性环境中的抑制性能（1000 ppm时74.59 ± 0.89%）高于碱性环境（500 ppm时69.24 ± 2.30%）。根据扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）表面分析结果，YJPWE的存在导致钢表面形成保护性吸附膜。基于分析结果，YJPWE的抑制效率取决于碳钢的活性，并倾向于在中性和碱性环境中通过多层吸附结合与稳定氧化物/氢氧化物层的重叠沉积发挥作用。总之，YJPWE作为碳钢在各种实际条件下的环保型腐蚀抑制剂展现出良好的潜力。

**研究背景与问题**
碳钢因其优异的力学性能、经济性和可加工性，广泛用于建筑、汽车、能源等领域，但在含氯环境中极易发生腐蚀，尤其是中性和碱性介质中氯离子会破坏表面形成的半钝化或钝化氧化物/氢氧化物层，导致局部腐蚀和结构失效。传统无机缓蚀剂（如铬酸盐、亚硝酸盐）虽有效但具有毒性，环保限制日益严格。因此，开发可持续、低成本的植物源绿色缓蚀剂成为研究热点。越南地处热带季风气候区，植物资源丰富，其中菠萝蜜（*Artocarpus heterophyllus*）的果实和木材虽广泛应用，但其农业副产品（如皮、叶）富含黄酮、酚类、鞣质等具有吸附活性的有机化合物，具备作为环保缓蚀剂的潜力。尽管已有研究报道菠萝蜜叶提取物在盐酸介质中对低碳钢的抑制效率达80–95%，但关于其皮提取物在不同pH含氯环境中的系统研究仍不足，尤其是中性和碱性条件下的抑制机制差异尚不明确。为此，研究人员开展本研究，以探究幼果菠萝蜜皮水提物（YJPWE）对碳钢在3.5 wt.% NaCl溶液（pH 7和10）中的腐蚀抑制性能，并揭示pH对抑制机制的影响。

**研究概述与结论**
研究人员采用电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化（PD）技术，结合扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）表面分析，系统评估了YJPWE在不同浓度（pH 7: 0–2000 ppm; pH 10: 0–1000 ppm）下对碳钢的缓蚀效果。结果表明：YJPWE在中性环境（pH 7）的最佳抑制浓度为1000 ppm，抑制效率达74.59 ± 0.89%；在碱性环境（pH 10）的最佳浓度为500 ppm，效率为69.24 ± 2.30%。表面分析证实YJPWE在钢表面形成保护性吸附膜，其机制在中性介质中以多层吸附为主，在碱性介质中则与天然氧化物/氢氧化物层协同重叠沉积。该研究证明了YJPWE作为环保缓蚀剂的潜力，并强调了环境pH在缓蚀剂效率和成膜行为中的关键作用。论文发表在《Results in Surfaces and Interfaces》。

**主要关键技术方法**
样本来源：幼果菠萝蜜于2023年10月采自越南同塔省，经鉴定为*Artocarpus heterophyllus* L.。提取方法：将幼果皮于65°C干燥后，以1 kg皮加入12 L蒸馏水在60°C加热6小时获得水提物（YJPWE），并利用液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱（LC–QTOF-MS）进行表征。电化学测试：使用三电极体系（碳钢工作电极、钛网对电极、Ag/AgCl参比电极），VSP系统记录开路电位（OCP）1小时后进行EIS（频率10 kHz–10 mHz，振幅10 mV）和PD（扫描范围?250 mV_OCP至0 mV_Ag/AgCl，扫描速率0.166 mV·s^?1）。表面分析：使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM, Hitachi S-4800）进行SEM和EDS；使用Kratos AXIS Nova系统进行XPS测量。

**研究结果**
**电化学阻抗谱（EIS）结果**
通过分析Nyquist图和Bode图，在pH 7空白溶液中，钢表面呈现小半圆和高腐蚀速率；添加YJPWE后，半圆半径随浓度增大，1000 ppm时达到最大，表明形成稳定的多层保护膜，电荷转移电阻（R_ct）和总电阻（R_total）达峰值；但2000 ppm时因分子拥挤导致阻抗下降。在pH 10环境中，空白样品因稳定氧化物/氢氧化物层而具有较高阻抗，但低浓度YJPWE（50–100 ppm）初期会短暂降低阻抗，随后随时间恢复并提高，500 ppm时R_ct显著增大，表明有机层与无机层最优重叠。EIS拟合采用含Warburg扩散元件的等效电路，证实了扩散控制的界面过程。

**动电位极化（PD）结果**
Tafel外推显示，添加YJPWE后腐蚀电流密度（i_corr）显著降低，阳极和阴极极化曲线形态不变，表明YJPWE为混合型抑制剂。在pH 7下，1000 ppm时i_corr从空白36.76 μA·cm^?2降至1.72 μA·cm^?2；在pH 10下，500 ppm时i_corr从5.11 μA·cm^?2降至1.57 μA·cm^?2。抑制效率随pH升高而降低，归因于碳钢电化学活性变化影响化学吸附。

**表面形貌（SEM/EDS）结果**
pH 7空白样品表面出现大量非均匀点蚀、裂纹和疏松腐蚀产物（铁氧化物/氢氧化物），加1000 ppm YJPWE后表面更均匀，深坑和裂纹减少，但仍有微小裂纹。EDS显示未加抑制剂时Fe分布不均，O集中于凸起裂纹区，Cl在缺陷处富集；加抑制剂后Fe分布更均匀，O和Cl信号减少，C信号增强，表明有机物吸附形成保护层。pH 10下，空白样品表面粗糙、破损，加抑制剂后表面光滑，腐蚀产物减少，Cl密度降低，证实保护膜有效阻挡氯离子。

**X射线光电子能谱（XPS）结果**
pH 7空白样品Fe 2p谱显示Fe⁰（~707 eV）及FeO、Fe₂O₃、FeOOH等，O 1s含晶格氧（O^2?）和羟基（OH^?），Cl 2p强峰表明FeCl₂/FeCl₃存在。加1000 ppm YJPWE后，Fe、O、Cl峰强度明显减弱，C 1s谱出现C–N/C–O（286.0 eV）、C–C/C–H（284.8 eV）和C=O/COO^?（288.0 eV），N 1s出现质子化N–H⁺（~399 eV）和阳离子N（~400.6–401.0 eV），证实有机覆盖层形成。pH 10空白样品表面以Fe(III)氧化物/氢氧化物为主，Cl 2p较弱；加500 ppm YJPWE后Fe和O 1s强度下降，C 1s和N 1s出现，Cl 2p进一步降低，中性与非质子化N的配位作用更显著，有机层叠加于钝化层上。

**讨论与结论**
在pH 7中性环境中，钢表面腐蚀产物层多孔且非均匀，YJPWE通过多层吸附机制，在1000 ppm时形成最稳定的化学吸附膜，阻隔侵蚀性离子；浓度过高则因分子拥挤降低均匀性。在pH 10碱性环境中，钢表面形成致密但部分多孔的氧化物/氢氧化物层，YJPWE的有机分子去质子化后通过与表面缺陷和活性位点的吸附，稳定该无机层并与之重叠，500 ppm时达到最优协同。两种pH下抑制效率差异源于表面化学和吸附机制不同：中性环境下YJPWE与钢表面直接强相互作用形成致密吸附层，而碱性环境下主要依靠与预钝化层的互补作用。结论原文翻译如下：
本研究表明，YJPWE在中性和碱性环境中均能作为碳钢的高效腐蚀抑制剂。电化学分析（EIS和PD）显示，在最佳研究浓度下YJPWE使腐蚀速率显著降低。互补的表面分析（SEM、EDS、XPS）证实了表面形貌和组分的显著变化，证明形成了源自缓蚀剂的保护膜。YJPWE在中性介质中的抑制效率达到74.59 ± 0.89%，明显高于碱性介质中的69.24 ± 2.30%。这一差异归因于两种pH条件下不同的表面化学和抑制机制。在碱性介质中，碳钢形成相对稳定的氧化物/氢氧化物层，表面均匀但部分多孔；在此条件下，YJPWE的有机成分通过与预先存在的氧化物/氢氧化物层相互作用贡献表面保护。因此，腐蚀抑制性能归因于无机氧化物/氢氧化物层与吸附有机物种的联合效应，共同形成相对均匀的保护膜，提高了耐腐蚀性。相反，中性介质促进了YJPWE活性物种与钢表面的更强界面相互作用，形成了致密、粘附良好的吸附层，具有更有效的保护作用。这种机制差异解释了在中性条件下观察到的更优抑制性能，并强调了环境pH在决定缓蚀剂有效性和成膜行为中的关键作用。此外，为增强该植物的应用，未来研究将评估YJPWE对大肠杆菌（*Escherichia coli*）、腐生葡萄球菌（*Staphylococcus saprophyticus*）、铜绿假单胞菌（*Pseudomonas aeruginosa*）等常见细菌的抗菌功效，以预防微生物影响腐蚀（MIC）。通过进行肉汤微量稀释法等抗菌试验，可阐明YJPWE的抗菌活性，并作为潜在的微生物腐蚀抑制剂加以应用。