《Next Materials》：Pioneering a hybrid electrochemical and DFT/MC simulation approach to assess xylometazoline as a corrosion inhibitor for mild steel in acidic medium
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腐蚀抑制剂在工业除鳞和酸洗过程中是必不可少的。本研究通过密度泛函理论/蒙特卡洛（MC）模拟以及在实际1 M HCl溶液中对低碳钢（MS）表面的实验研究，评估了盐酸赛洛咪唑啉（XMH）的腐蚀抑制性能。在这种情况下，研究人员使用标准技术对该药物作为防腐剂进行了适当
腐蚀抑制剂在工业除鳞和酸洗过程中是必不可少的。本研究通过密度泛函理论/蒙特卡洛（MC）模拟以及在实际1 M HCl溶液中对低碳钢（MS）表面的实验研究，评估了盐酸赛洛咪唑啉（XMH）的腐蚀抑制性能。在这种情况下，研究人员使用标准技术对该药物作为防腐剂进行了适当评估，这些技术包括电化学测量（Potentiodynamic polarization 动电位极化和 AC impedance spectroscopy 交流阻抗谱）、通过DFT/MC模拟的密度泛函理论、接触角和扫描电子显微镜（SEM）技术。接触角和SEM结果证实了抑制膜的存在，并且腐蚀抑制剂配方的存在使得表面更加均匀。实验结果表明，XMH显著抑制了低碳钢的腐蚀，并且这种抑制效果随着药物浓度的增加而增强。在1 g/L时，电化学阻抗（EIS）和动电位极化测试（PDP）的最大抑制效率分别为84%和75%。对腐蚀和受抑制金属的详细检查表明，低碳钢表面被药物XMH覆盖得更好且更均匀。蒙特卡洛（MC）模拟和密度泛函理论（DFT）模拟被用于进一步理解药物分子结构及其在抑制机制中的作用。DFT和MC模拟研究表明，所提出的XMH具有作为腐蚀抑制剂应用的潜力。
研究背景与意义
低碳钢因其良好的力学性能和成本效益在工业中广泛应用。然而，当暴露于盐酸等侵蚀性环境中时，其耐腐蚀性会显著降低。腐蚀会导致停工、资源浪费和安全隐患，造成巨大的经济损失。在工业中，通常使用酸溶液进行除鳞和酸洗，为减少金属在此过程中的腐蚀，研究人员致力于开发自组装腐蚀抑制剂。近年来，研究重点转向了“绿色”腐蚀抑制剂，特别是药物分子，因为它们无毒、廉价且对环境影响小。药物分子中的杂原子、孤对电子和π电子使其能够吸附在金属表面形成屏障层。盐酸赛洛咪唑啉（Xylometazoline Hydrochloride, XMH）通常用作鼻塞缓解药，其分子结构中的氮原子、芳香环和富电子官能团可作为活性吸附中心。因此，研究人员探索了XMH在1 M HCl溶液中对低碳钢的腐蚀抑制潜力。这项研究的创新点在于开发用于工业的环保型腐蚀抑制剂，结合多种电化学与计算方法系统评估药物分子的防腐性能，该研究成果发表在《Next Materials》期刊上，对拓展绿色药物防腐剂的应用具有重要意义。
关键技术方法
研究人员采用了多技术联用策略。电化学测量使用CHI 6156e电化学分析仪，在三电极体系下进行动电位极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）测试。表面形貌和润湿性通过扫描电子显微镜（SEM）和接触角仪表进行表征。在计算层面，运用Gaussian 03软件开展密度泛函理论（DFT）计算以获取前沿分子轨道能量等量子化学参数，并利用Material Studio 2017进行蒙特卡洛（MC）模拟以研究分子在Fe(110)晶面上的吸附构象。此外，研究人员采用循环伏安法（CV）在磷酸盐缓冲溶液中探究了XMH在不同电极（如预处理铅笔石墨电极Pre-PGE等）上的电化学氧化行为。
研究结果
动电位极化
研究人员在不同温度（298 K至328 K）下记录了添加不同浓度XMH的极化曲线。研究发现，随着XMH浓度的增加，腐蚀电流密度显著降低。腐蚀电位的偏移量保持在±85 mV阈值内，且阴极和阳极Tafel斜率几乎没有变化。这表明XMH作为混合型抑制剂起作用，同时影响阳极金属溶解和阴极析氢过程，但不改变腐蚀的根本电化学反应途径。
交流阻抗谱
EIS结果显示，奈奎斯特图呈现受抑的半圆特征，且随着抑制剂浓度增加，半圆直径增大。这归因于XMH分子在金属表面发生吸附，增加了双电层厚度或降低了局部介电常数，从而显著提高了电荷转移电阻。在较高温度下，抑制效率持续上升，表明XMH在金属表面的吸附主要为化学吸附。低频区的电感弧则与吸附物质的弛豫过程以及腐蚀产物的再溶解或稳定化有关。
密度泛函理论（DFT）研究
DFT分析表明，XMH具有较高的最高占据分子轨道能量，表明其容易向金属空的d轨道提供电子。同时其能隙较低，意味着电子转移更容易，具有更高的反应活性。较低的全局硬度以及合适的亲电性指数进一步证实了XMH分子能够有效地向金属表面提供电子，展现出优异的抑制潜力。
蒙特卡洛（MC）模拟
研究人员在Fe(110)平面上模拟了XML的吸附行为。优化构型显示XMH倾向于近平面吸附模式，使其活性位点与基底紧密接触。计算得出的大量负吸附能（?4.41 × 10? kcal/mol）表明该吸附过程是自发且强烈的，证实了XMH分子与铁表面之间存在高效结合。
扫描电子显微镜（SEM）与接触角分析
SEM图像显示，未添加抑制剂的低碳钢表面遭受严重腐蚀并形成深坑；而浸泡在含1 g/L XMH溶液中的样品表面则覆盖有一层光滑的保护膜。接触角测量表明，未抑制的样品表面亲水性较强，接触角为40.6°；添加XMH后，表面接触角升至93.4°，超过90°，表明形成了疏水的抑制膜，从而有效阻隔了侵蚀性离子。
XMH的伏安行为
研究人员利用CV技术在磷酸盐缓冲液中测试了XMH的电化学活性。结果显示，在含有XMH的正向扫描中出现阳极峰而无反向峰，表明发生了不可逆氧化过程。对比不同电极发现，预处理铅笔石墨电极表现出更低的氧化峰电位和更高的氧化峰电流，证实了其具有更优的电催化响应。
总结与结论
综上所述，动电位极化研究证实XMH是一种极具潜力的混合型低碳钢腐蚀抑制剂，可同时抑制铁溶解和氢析出反应。EIS测试表明增加抑制剂浓度可显著提高电荷转移电阻，这源于金属表面保护膜的形成及双电层厚度的增加。量子化学计算与MC模拟一致表明，XMH分子中的杂原子作为主要给电子中心，自发且强烈地吸附在铁表面。此外，SEM和接触角分析在形貌和润湿性层面验证了均相抑制膜的存在及表面疏水性的增强。该研究证明了XMH在酸性介质中作为绿色腐蚀抑制剂的有效性。
