BaNb0.5In0.5(PO4)2作为酸性介质中低碳钢腐蚀的高效无机抑制剂：电化学技术与表面分析的研究见解

《Corrosion and Materials Degradation》：BaNb0.5In0.5(PO4)2 as an Efficient Inorganic Inhibitor for Mild Steel Corrosion in Acidic Media: Insights from Electrochemical Techniques and Surface Analyses

　　

研究人员研究了一种新型正磷酸盐化合物BaNb_0.5In_0.5(PO₄)₂ (FA31)，作为低碳钢在1.0 M HCl中的腐蚀抑制剂，使用了电化学技术、吸附研究和表面表征。电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化（PDP）测量表明，抑制效率随抑制剂浓度增加而增加，在最佳浓度下达到最大值94.8%。电荷转移电阻（R_ct）从无抑制剂溶液显著增加到有FA31时的427.2 Ω·cm²，表明形成了有效抑制腐蚀过程的保护性界面层。FA31在低碳钢表面的吸附遵循Langmuir吸附等温线，而计算的标准吉布斯自由能（ΔG°_ads）表明抑制过程主要受物理吸附控制。SEM/EDS分析进一步证实了钢表面形成了致密均匀的保护膜。结合电化学和表面分析表明，FA31是酸性介质中低碳钢的一种有效且环境友好的腐蚀抑制剂。

金属基础设施在酸性环境（如酸洗、除垢等工业过程）中易发生电化学腐蚀，导致材料损失和寿命缩短，因此开发高效、环保的腐蚀抑制剂至关重要。有机抑制剂虽有效，但存在溶解度低、热稳定性差或环境问题。无机磷酸盐基材料因其化学稳定性和成膜能力成为研究热点，其中新型正磷酸盐化合物BaNb_0.5In_0.5(PO₄)₂（FA31）具有Yavapaiite型结构，尚未被研究作为腐蚀抑制剂。本研究旨在首次综合评价FA31在1.0 M HCl中对低碳钢的抑制性能，通过电化学测量、吸附热力学和表面表征揭示其抑制机理。该论文发表在《Corrosion and Materials Degradation》。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：采用固相反应法合成FA31；利用电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化（PDP）测量评估抑制效率，并通过等效电路拟合分析界面特性；通过Langmuir吸附等温线及标准吉布斯自由能（ΔG°_ads）计算确定吸附类型；采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电子显微镜与能谱分析（SEM/EDS）观察表面形貌和元素组成；通过不同温度（298–328 K）下的极化测试研究温度效应，并基于Arrhenius和过渡态理论计算活化参数（E_a、ΔH⁺、ΔS⁺）。

**3.1 X射线衍射分析**：通过XRD（X射线衍射）分析，FA31呈现尖锐衍射峰，证实为单一高结晶度Yavapaiite型正磷酸盐相，In³⁺引入导致晶格参数轻微增大，形成由(Nb/In)O₆八面体和PO₄四面体构成的稳定三维网络。

**3.2 电化学阻抗谱（EIS）**：EIS（电化学阻抗谱）Nyquist图显示单一容抗弧，直径随FA31浓度增加而增大，电荷转移电阻（R_ct）从无抑制剂时的值增至427.2 Ω·cm²，双电层电容（C_dl）降低，表明吸附形成致密保护膜，有效抑制电荷转移。

**3.3 动电位极化曲线（PDP）**：PDP（动电位极化）曲线显示腐蚀电流密度（i_corr）从1045 μA·cm^-2降至54 μA·cm^-2（400 ppm时），抑制效率达94.8%。腐蚀电位（E_corr）位移小于85 mV，表明FA31为混合型抑制剂，同时抑制阳极铁溶解和阴极析氢反应。

**3.4 温度效应**：在298–328 K范围内，有FA31时i_corr增加幅度远小于空白溶液，抑制效率从94.8%降至90.6%，表明物理吸附主导，保护膜在高温下仍具一定稳定性。

**3.5 热力学活化参数**：Arrhenius和过渡态理论分析表明，添加FA31后表观活化能（E_a）从28.7 kJ·mol^-1升至45.0 kJ·mol^-1，活化焓（ΔH⁺）从26.2 kJ·mol^-1升至42.4 kJ·mol^-1，活化熵（ΔS⁺）负值减小（从-99.2 J·mol^-1·K^-1升至-69.4 J·mol^-1·K^-1），证实吸附提高了腐蚀反应能垒并形成有序界面。

**3.6 吸附等温线**：Langmuir吸附等温线拟合显示C_inh/θ与C_inh呈良好线性关系（R²=0.99988），吸附平衡常数K_ads=26.6 L·mol^-1，ΔG°_ads=-18.1 kJ·mol^-1，表明FA31主要通过静电作用（物理吸附）形成单分子层保护膜。

**3.7 表面分析（SEM/EDS）**：SEM（扫描电子显微镜）图像显示空白钢表面粗糙、多孔蚀，而FA31存在时表面光滑、致密，覆盖均匀保护膜。EDS（能谱分析）检测到Ba、In、P、Nb元素，证实FA31吸附并形成含这些元素的保护层，同时Fe、O、Cl信号减弱，表明有效抑制腐蚀产物形成。

**3.8 腐蚀抑制机理**：综合电化学、吸附和表面分析结果，FA31在酸性介质中通过静电作用吸附于钢表面，逐步取代吸附的Cl^-和水分子，形成致密保护膜，增大电荷转移电阻，同时抑制阳极和阴极反应，起到屏障作用。

总结讨论部分：研究结果一致表明FA31作为高效、环保的无机腐蚀抑制剂，主要通过物理吸附形成保护膜，在酸性介质中提供可靠防护。结论部分翻译如下：研究人员通过固相反应法合成了正磷酸盐化合物BaNb_0.5In_0.5(PO₄)₂（FA31），该材料在1 M HCl中对低碳钢表现出优异的保护性能，最大抑制效率为94.8%，电荷转移电阻增至427.2 Ω·cm²。吸附过程遵循Langmuir等温线，ΔG°_ads表明抑制机理主要为物理吸附。SEM和EDS分析证实了钢表面形成均匀的富Ba、In、P、Nb沉积层，该层兼具物理屏障和化学保护作用，有效隔离酸性环境。总之，FA31是一种高性能、耐用且环境友好的无机腐蚀抑制剂，为暴露于酸性介质中的低碳钢提供强效可靠保护。