明矾提取物与聚磷酸盐基抑制剂在盐水环境中对碳钢腐蚀防护效果的比较研究

《Materials Today Communications》：A Comparative Study of Mint Extract and Polyphosphate-Based Inhibitors for Carbon Steel Corrosion Protection in Saline Water

　　

本研究评估并比较了一种绿色薄荷提取物（有机）抑制剂和一种工业聚磷酸盐基抑制剂Mitreh MSA1110（无机）对普通碳钢在3.5 wt.%氯化钠（NaCl）水溶液中的腐蚀抑制性能。研究人员采用电化学阻抗谱（EIS）、塔菲尔极化（Tafel polarization）和失重测量，并结合扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行表面表征，以评估抑制效率、吸附行为、稳定性和保护层的形貌。工业抑制剂在20 ppm浓度下表现出更高的腐蚀抑制效率（塔菲尔极化测试77%，电化学阻抗谱测试82%，失重测试61.16%），而薄荷提取物在400 ppm浓度下达到抑制效率（塔菲尔极化测试60%，电化学阻抗谱测试78%，失重测试57.99%）。两种抑制剂主要作为混合型抑制剂发挥作用，并以阴极活性为主。薄荷提取物表现出高达150 °C的热稳定性和超过60天的化学稳定性，保留了其官能团并促进在钢表面的吸附。此外，基于获得的电化学数据，薄荷提取物分子根据Langmuir吸附等温线吸附在钢表面。SEM分析显示，在两种抑制剂存在下，表面腐蚀减少，其中工业抑制剂提供了更优的表面保护。然而，工业抑制剂的潜在环境毒性及其对废水处理过程的干扰，突显了环保、可生物降解的薄荷提取物抑制剂的优势。这些发现支持使用绿色植物基抑制剂作为盐水环境中腐蚀防护的可持续替代方案。

**研究背景与问题**
金属腐蚀是材料科学与工程中持久且成本高昂的挑战，尤其在工业应用中，碳钢在盐水环境中的腐蚀防护至关重要。目前，商业工业抑制剂（如聚磷酸盐基配方）虽有效，但存在环境毒性、生物降解性差及生产成本高等问题。因此，开发基于植物提取物的绿色抑制剂成为研究热点。薄荷（Mentha spp.）提取物因其丰富的植物化学组成（如薄荷醇、香芹酮、胡薄荷酮等含氧萜类化合物）和广泛可用性，被认为是一种有前景的候选材料。然而，现有研究大多单独评估绿色抑制剂，缺乏与工业抑制剂在相同条件下的直接比较，导致其实际替代可行性尚未明确。该研究旨在填补这一空白，通过系统比较薄荷提取物与商业工业抑制剂Mitreh MSA1110在模拟盐水（3.5 wt.% NaCl溶液）中对普通碳钢的腐蚀防护性能，评估其作为可持续替代方案的潜力。论文发表在《Materials Today Communications》。

**主要技术方法**
研究人员从伊朗南部采集新鲜薄荷叶，经干燥、研磨、甲醇提取（50 °C，72小时）后获得干燥粉末。采用电化学阻抗谱（EIS）和塔菲尔极化（Tafel polarization）测试（三电极体系，Ag/AgCl参比电极，铂对电极）评估抑制效率，同时进行失重测试（ASTM G31，30天浸泡）。表面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）分析，官能团通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定。抑制剂热稳定性通过热重分析（TGA）评估，并采用Langmuir吸附等温线模型分析吸附行为。样本来源为伊朗南部自然栽培的薄荷植株。

**研究结果**
**3.1 薄荷绿色抑制剂**
**3.1.1 塔菲尔极化测试**：通过不同浓度薄荷提取物（100-500 ppm）的塔菲尔极化曲线分析，发现腐蚀电位（E_corr）多数呈负移，表明薄荷提取物主要作为阴极型抑制剂。腐蚀电流密度（I_corr）和腐蚀速率（CR）随浓度增加而降低，在400 ppm时达到最大抑制效率60%，但超过此浓度后效率下降，归因于过度吸附导致保护膜效能降低。
**3.1.2 电化学阻抗谱测试**：奈奎斯特（Nyquist）图显示，随着薄荷提取物浓度增至400 ppm，电容半圆直径增大，电荷转移电阻（R_ct）增加，表明吸附层增强了腐蚀阻力。在400 ppm时达到最高极化电阻和抑制效率78%，随后下降。Bode图进一步证实了腐蚀阻抗的增强。
**3.2 工业抑制剂（Mitreh MSA1110）**
**3.2.1 塔菲尔极化测试**：工业抑制剂在10-30 ppm范围内，腐蚀电位（E_corr）持续负移，腐蚀电流密度（I_corr）和腐蚀速率（CR）降低，在20 ppm时达到最大抑制效率77%。两种抑制剂的腐蚀电位偏移均小于85 mV，且Tafel斜率（β_a和β_c）均变化，表明两者均为混合型抑制剂，但以阴极反应抑制为主。
**3.2.2 电化学阻抗谱测试**：奈奎斯特图显示，工业抑制剂在20 ppm时半圆半径最大，电荷转移电阻（R_ct）最高，抑制效率达82%。超过此浓度后效率下降。CPE值降低表明保护层形成，降低了界面电容。
**3.3 失重测试**：30天浸泡后，两种抑制剂均降低了失重率和腐蚀速率。薄荷提取物在400 ppm时抑制效率57.99%，工业抑制剂在20 ppm时达61.16%，工业抑制剂性能更优。失重法与电化学法结果差异归因于测试时间尺度（瞬时vs长期）、吸附/脱附动态及表面膜演化等因素。
**3.4 SEM形貌分析**：空白样品呈现严重点蚀和不均匀形貌；含抑制剂样品表面损伤和点蚀显著减少，其中工业抑制剂（20 ppm）处理后的表面更平滑、腐蚀更少，优于薄荷提取物（400 ppm）。
**3.5 薄荷抑制性能测量**
**3.5.1 FTIR光谱**：薄荷提取物在3349.81 cm^-1（羟基）、2927.23 cm^-1（C-H）、1537.09 cm^-1（C=C芳香环）等出现吸收峰，确认含氧官能团促进吸附。
**3.5.2 随时间稳定性**：60天后FTIR光谱显示主要吸收峰位置和强度基本不变，表明化学稳定性良好，无显著结构降解。
**3.5.3 松装密度**：计算值为0.5 g/mL。
**3.5.4 热稳定性（TGA）**：TGA/DTG曲线显示，低于150 °C的质量损失归因于物理吸附水蒸发，而非结构分解；主要分解发生在125-320 °C（官能团分解）和400 °C以上（环结构降解），表明薄荷提取物在150 °C以下具有热稳定性。
**3.5.5 吸附等温线**：Langmuir吸附等温线拟合良好，吉布斯自由能（ΔG_ads）为负值（-16.35至-19.8 kJ/mol），表明自发物理吸附。

**讨论与结论**
研究结果表明，两种抑制剂均能有效降低碳钢在盐水中的腐蚀，但工业抑制剂在更低浓度（20 ppm）下达到更高抑制效率。薄荷提取物虽需较高浓度（400 ppm），但具有优异的热稳定性（<150 °C）和长期化学稳定性（60天），且其吸附符合Langmuir等温线，属于物理吸附。SEM分析证实工业抑制剂提供更优表面保护，但工业抑制剂的环境毒性（如磷酸盐导致水体富营养化）和废水处理干扰问题，使其可持续性逊于薄荷提取物。结论指出，植物基绿色抑制剂可作为盐水环境中腐蚀防护的可持续替代方案，尤其适用于对环保要求高的场景。