《Journal of Molecular Structure》：Computational and Experimental Evaluation of
Physalis angulata Phytochemicals as Corrosion Inhibitors for Bio-Coating Formulation
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本研究以野生植物Physalis angulata提取物为原料，通过电化学阻抗、极化曲线及重量损失法评估其在0.5 M HCl中对不锈钢410的腐蚀抑制效果，抑制率达94.06%（400 ppm），结合SEM/AFM和DFT-MC模拟揭示了其表面吸附机制及活性成分（Physalin H/D/VIII）的作用，为绿色腐蚀抑制剂开发提供新思路。
苏什玛（Sushma）|德瓦里卡·普拉萨德（Dwarika Prasad）|拉吉尼什·迈塔尼（Rajnish Maithani）|布拉希姆·埃尔·易卜拉希米（Brahim El Ibrahimi）
印度德拉敦（Dehradun）斯里古鲁拉姆赖大学（Shri Guru Ram Rai University）基础与应用科学学院化学系，邮编248001
摘要
随着公众对绿色化学认识的提高，全球研究人员开始关注天然产物。作为腐蚀抑制剂的植物材料因其环保性、可生物降解性、低成本和广泛可用性而受到青睐。本研究使用重量损失法和电化学技术，探讨了Physalis angulata提取物（PAE）作为不锈钢410（SS-410）天然腐蚀抑制剂的效能。用PAE配制的生物涂层通过ASTM D3359附着力测试进行了稳定性评估。结果表明，在400 ppm浓度下，PAE的抑制效率为94.06%，符合工业要求的91%以上。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析了酸性和受抑制介质中的表面形变。在PAE的作用下，钢表面的平均粗糙度为12.5 nm，而未受抑制表面的平均粗糙度为73.4 nm。此外，通过密度泛函理论（DFT）研究和蒙特卡洛（MC）模拟获得了原子和电子层面的理论见解，这些研究强调了杂原子作为分子相互作用吸附位点的重要性。使用液相色谱-质谱（LC-MS）鉴定了PAE中的主要成分：Physalin H、Physalin D和Physalin VIII。
引言
材料劣化可能由化学、电化学和生物过程引起。全球腐蚀造成的损失估计接近2.5万亿美元，采用有效的控制方法可节省每年15-35%的腐蚀成本[1]。腐蚀抑制剂是防止腐蚀的最有效方法之一，因为它们能附着在金属表面形成一层薄保护层，保护金属免受腐蚀介质中活性阴离子的侵蚀[2][3]。然而，由于大多数工业抑制剂含有危险物质（如丙炔醇），因此存在对人类健康和环境的潜在风险[4]。因此，当前的研究重点在于使用危害较小且可再生的化学物质作为腐蚀抑制剂。
天然化合物因其可再生性、易获取性、生态安全性、经济性以及通过简单提取方法即可获得而受到推崇[5][6]。因此，多项研究报道了使用植物提取物作为“绿色抑制剂”来防止金属腐蚀[7]。文献指出，对于工业应用而言，91%至99%的抑制效率是合适的[8]。近年来，从水果废弃物和植物提取物中制备的绿色抑制剂在工业应用中越来越受欢迎[9]。
目前，研究人员正在探索各种植物提取物以应对腐蚀相关问题。Artemisia pallens具有腐蚀抑制作用，在400 mg/L浓度下，其抑制效率通过重量损失法和电化学方法测量为93%；XPS、FTIR和拉曼光谱进一步帮助理解了其抑制机制[10]。竹叶提取物中的主要成分芦丁（Rutin）和奥里廷（Orientin）具有阴极抑制作用，其抑制效率依次为：叶提取物（100 mg/L和25°C时为51.2%）> 芦丁（42.5%）> 奥里廷（34.0%）[11]。
Neolamarckia cadamba的粗提物（树皮和叶子）被研究其在1 M HCl中对低碳钢的抑制效果，发现其具有混合型抑制作用，能降低腐蚀速率[12]。Punica granatum提取物中的主要成分鞣花酸（Ellagic acid，EA）和单宁酸（Tannic acid，TA）在2 M HCl和1 M H?SO?溶液中也能起到腐蚀抑制作用，且在HCl中的抑制效果略优于H?SO?[13]。指甲花提取物中的主要成分劳松（Lawsone）、没食子酸（Gallic acid）、α-D-葡萄糖（α-D-glucose）和单宁酸可减少1 M HCl中的低碳钢生锈现象，电化学研究表明其抑制效率为92.06%[14。Triticum aestivum被用作不锈钢（SS-410）的腐蚀抑制剂，在15% HCl介质中的抑制效率为94%[15]。茶树提取物在1 M HCl介质中对304不锈钢（STS）的抑制效率为83.00%[16。Houttuynia cordata在0.1 M HCl中对碳钢的抑制效率为98.30%[17。Lavandula angustifolia在5.0 M HCl中的抑制效率为94.3%[18。Phyllanthus emblica在15% HCl中对不锈钢（SS-410）的抑制效率为92.43%[19。Citrus reticulata这种基于水果的抑制剂在1 M HCl介质中对X80钢的抑制效率为79.80%[20。Musa acuminata在5 M HCl中对低碳钢的抑制效率为90.00%[21。Thymus vulgaris在1.0 mol L?1 HCl中对304不锈钢的抑制效率为62.15%[22。Rosmarinus officinalis在1 M HCl中对XC48钢的抑制效率为91.0%[23。Artemisia herba-alba在1 M H?PO?中对不锈钢的抑制效率为88%[24]。芦荟（Aloe vera）在1 M H?SO?中对不锈钢的抑制效率为96%[25]。Dardagan果实作为1 M HCl中的低碳钢腐蚀抑制剂，抑制效率为97%[26。Magnolia grandiflora在1 M HCl中对Q235钢的抑制效率为85%[27。Lavandula mairei在1 M HCl中对低碳钢的抑制效率为92%[28。Calotropis procera在2 M HCl中对304不锈钢的抑制效率为69.7%[29。Colocasia esculenta通过重量损失法和电化学研究证明其抑制效果为93%[30。Grewa venusta在1 M HCl中对低碳钢的抑制效率为97.60%[31。Pterocarpus santalinoides在1 mol/dm3 HCl中对碳钢的抑制效率为72.38%[32。Asparagus racemosus在0.5 M H?SO?中对低碳钢的抑制效率为93.25%[33。Catharanthus roseus在NaCl介质中对低碳钢的抑制效率为84.00%[34]。大蒜（Garlic）在0.5 M HCl中对304不锈钢的抑制效率为88%[35。Salvia officinalis在1 M HCl中对304不锈钢的抑制效率为96.20%[36]。
Physalis angulata属于茄科（Solanaceae）植物[37]。这是一种大型草本植物，通常生长高度约为50厘米[38]。该植物开出的花朵会结成果实，形状类似梨或气球，下垂生长。它有多种别名，如camapu、cut-leaf groundcherry、wild tomato和winter cherry[39]。其果实被农村社区广泛食用[40]。在中国，这种植物被称为Kuzhi[41]。
迄今为止，关于天然绿色腐蚀抑制剂的研究主要集中在食品相关材料或药用植物上。本研究的创新之处在于使用了一种对农民来说没有农业价值的杂草植物作为腐蚀抑制剂。相比之下，涂料行业主要依赖合成有机抑制剂或无机抑制剂（如铬酸盐）。本研究引入了一种环境友好的替代方案，利用Physalis angulata提取物（PAE）作为绿色腐蚀抑制剂，这种植物通常被视为杂草。通过将这种杂草转化为有价值的资源，本研究提供了一种新颖且未被充分探索的方法，符合“废物转化为财富”的理念。尽管PAE对农民或农业土地没有直接效益，但它展示了其在工业应用中的潜力，包括作为腐蚀抑制剂和生物涂层的开发。本研究的目的是评估PAE在0.5 M盐酸溶液中防止不锈钢（SS-410）腐蚀的有效性。
在本研究中，我们描述了Physalis angulata叶提取物中活性成分的提取和表征过程。采用电化学阻抗谱（EIS）、电位动态极化（PDP）以及室温下的重量损失测量方法来研究PAE防止SS-410腐蚀的效果。表面形貌通过SEM和AFM进行了评估。
蒙特卡洛模拟也被用作分析基底（金属表面）与吸附物（活性成分）在微观层面相互作用的有效工具。此外，这些模拟有助于阐明从PAE中分离出的化合物与SS-40表面之间的相互作用机制。
部分摘录
植物提取物的制备
选择Physalis angulata叶片的原因在于其广泛可用性、经济性以及适合作为腐蚀抑制剂的特性。这些叶片采自德拉敦（Dehradun）的喜马拉雅地区，印度植物调查机构使用编号1266确认了该植物的身份。采集后，叶片被分离、彻底清洗，并在阴凉处晾干。
重量测量结果
重量测量是确定抑制剂浓度与腐蚀抑制效率关系最可靠的手动方法之一。如表1所示，随着PAE浓度的增加，腐蚀速率显著降低。这种增强的抑制效果可能归因于抑制剂分子在金属表面的活性位点上的吸附[51]。
实验在298 K温度下进行了24小时，不同浓度的抑制剂参与了实验。
结论
本研究的主要发现如下：
1.根据重量测量结果，PAE显著降低了不锈钢的腐蚀速率。无抑制剂时的腐蚀速率为31.42，添加PAE后降至2.30（400 ppm浓度下）。
2.无抑制剂时的腐蚀电流密度（Icorr）为96.15，添加抑制剂后降至6.23，表明金属表面的腐蚀显著减少。
3.通过EIS获得的抑制效率...
作者贡献声明
苏什玛（Sushma）：撰写初稿、可视化处理、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。德瓦里卡·普拉萨德（Dwarika Prasad）：审稿与编辑、验证工作、资源协调、概念指导。拉吉尼什·迈塔尼（Rajnish Maithani）：软件使用、资源提供、数据管理。布拉希姆·埃尔·易卜拉希米（Brahim El Ibrahimi）：撰写初稿、软件使用、资源提供、数据分析。
利益冲突声明
我，德瓦里卡·普拉萨德教授（通讯作者）代表所有作者声明，本手稿为原创作品，此前未发表过，也未被其他机构考虑发表。不存在任何利益冲突。
