绿色生物材料对活性碳钢和不锈钢不同保护作用的表面光谱与显微证据

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Surface-spectroscopic and microscopic evidence for distinct protection of active carbon and passive stainless steels by green biomaterials

　　

研究人员通过表面光谱与显微分析，揭示了绿色生物材料对活性碳钢（CS1018）和不锈钢（SS316L）的差异化保护作用。中等极性和非极性提取物能够抑制两种钢在1 M HCl中的腐蚀，其中异丙醇（IPA）提取物展现出严谨的抑制机制及对两种钢材的均衡保护效果。电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化（PDP）测试确认了吸附驱动的腐蚀保护作用，抑制效率约为96%–98%。IPA提取物可在钢表面形成两亲性、自修复薄膜。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）分析表明，氮（N）和氧（O）杂原子物种在稳定金属界面中发挥关键作用。

本论文发表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》。铁基合金在工业基础设施、能源生产、油气加工等领域应用广泛，但在酸性环境（如工业酸洗、化学清洗、油井酸化）中易发生严重腐蚀。传统无机缓蚀剂（如铬酸盐、砷酸盐）和部分合成有机缓蚀剂虽有效，但具有毒性和环境危害，受REACH和EPA等法规限制。植物提取物作为绿色缓蚀剂受到广泛关注，然而既有研究大多局限于极性溶剂（水、甲醇、乙醇）提取物，且主要在单一金属基底（多为碳钢）上评估，忽视了溶剂极性和金属表面状态对缓蚀效果的复杂影响。本研究针对两个关键问题展开：其一，将提取溶剂扩展至中等极性（异丙醇、丁醇）和非极性（正己烷）域；其二，将不同溶剂提取物同时应用于两种表面状态根本不同的铁基合金——活性溶解的CS1018碳钢和自钝化的SS316L不锈钢，评估其在1 M HCl中的缓蚀性能及相关机理。研究发现，溶剂极性并非决定提取物缓蚀效率的唯一因素，合金界面状态对抑制剂效能具有关键影响；IPA提取物对两种钢材均表现出最均衡的保护作用，而丁醇（ButOH）和正己烷（n-Hex）也展现出较高潜力。这一结果挑战了“极性越强缓蚀效果越好”的传统认知，为绿色缓蚀剂筛选提供了新思路，并强调在评估植物源缓蚀剂时必须考虑合金特异性表面化学特性。

研究人员使用的主要关键技术方法包括：傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）用于提取物化学成分表征；电化学阻抗谱（EIS）、动电位极化（PDP）、循环动电位极化（CPDP）和循环伏安法（CV）用于评估腐蚀抑制性能及钝化/再钝化行为；扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）和水接触角测量用于表面形貌、元素组成及界面膜特性分析。植物样本采集自尼日利亚埃博尼州和阿布贾，经森林植物标本馆鉴定（编号F.H.I. 1142102）。

研究结果部分概述：

3.1 提取物表征：FT-IR和GC-MS分析显示，不同极性溶剂回收了不同类别的植物化学物质；所有提取物共有酚类、芳香族、脂肪酸甲酯和萜类等成分，但IPA提取物具有氢键羰基、芳香C=C等独特红外特征，表明其中等极性组分具有两亲性结构。

3.2 提取物抑制能力比较：通过开路电位（OCP）、EIS和PDP测试评估五种提取物对CS1018和SS316L的缓蚀性能。结果表明，所有提取物均表现为混合型抑制剂，其中IPA在两种钢上均获得最高电荷转移/极化电阻和最低双电层电容（CS1018：Cdl由>176 μF cm^?2降至<20 μF cm^?2；SS316L：Rp提升至455.5 Ω cm²）。PDP测试显示，IPA对CS1018的缓蚀效率达98.7%，对SS316L达77.5%；反应系数（f_a、f_c）分析表明吸附主导的活性位点阻断机制。

3.3 表面表征研究：SEM-EDS和AFM显示，IPA抑制下CS1018和SS316L表面更光滑、粗糙度显著降低（如CS1018的Rq由94.8 nm降至0.689 nm），氯含量减少，碳富集增加，证实形成了持久吸附膜。XPS检测到N、S等杂原子信号，表明提取物分子通过化学吸附/配位作用结合于金属表面。ToF-SIMS在CS1018表面检测到大量含氮、氧、硫的有机碎片（如CH₄N⁺、C₂H₃O⁺、PO₂^?），进一步证实IPA分子在金属最外层界面形成杂原子富集的有机-无机保护层。水接触角测试表明，IPA在25 ℃时使CS1018接触角从98.09°增至121.48°（疏水性增强），而在60 ℃时使SS316L接触角从118.72°增至136.80°，体现了两亲性膜的界面调控能力。

讨论部分总结：IPA提取物中的中等极性植物化学物质兼具极性锚定基团和非极性疏水链段，能在CS1018表面通过吸附-疏水协同效应形成致密屏障，在SS316L表面则通过与Cr/Fe/Mo氧化物/氢氧化物相互作用修复并强化钝化膜。温度和时间实验进一步表明，IPA在高温和长时间浸泡下仍保持高效（对CS1018效率约99%），并能在SS316L上动态稳定钝态。因此，本研究提出缓蚀剂筛选不应局限于极性提取物，必须考虑特定合金的表面化学特性。

研究结论翻译：本研究证明了，对于一种代表性富含次生代谢物的植物，溶剂极性本身并不能决定植物提取物的腐蚀抑制性能，且抑制剂的有效性与被保护合金的界面状态密切相关。在五种溶剂馏分中，IPA在CS1018和SS316L上提供了最均衡的保护，而ButOH和n-Hex也表现良好。在CS1018上，IPA保持了约96%的EIS抑制效率，并将C_dl从>176 μF cm^?2降至<20 μF cm^?2，PDP显示i_corr从2048.64 μA cm^?2降至32.80 μA cm^?2，最大效率达98.72%。在SS316L上，0.5 g IPA使R_p增至455.5 Ω cm²，EIS效率为57.33%，PDP效率分别达IPA的77.5%和ButOH的77.8%。电化学、SEM-EDS和AFM结果共同表明，IPA主要通过混合吸附与活性位点阻断保护CS1018，而在SS316L上则通过与钝化膜的相互作用产生异质有机-无机界面，与Cr/Fe/Mo氧化物/氢氧化物物种相关。XPS和ToF-SIMS提供了互补的分子证据。综上，本研究结果表明，在中极性和非极性植物馏分中可能含有有效的缓蚀活性成分，不应在筛选中被排除；植物源缓蚀剂的评估应明确考虑合金特有的表面化学，而非仅依据溶剂极性。