《Sustainable Materials and Technologies》：Soybean-residue carbon carbon quantum dots as corrosion inhibitor for copper?nickel alloy in H
2SO
4 medium
编辑推荐：
碳量子点（B-CDs）通过电化学法以大豆渣为碳源制备，并作为耐腐蚀缓蚀剂用于多级闪蒸海水淡化热交换器的酸洗防护。研究显示20V电压合成的B-CDs在25mg/L浓度下抑制效率达99.26%，其保护机制为形成吸附膜，XPS和Langmuir模型验证了单分子化学吸附特性。
谭博川|万瑞|周子涵|方一玲|龚志立|李欣|郭雷|里亚德·马尔祖基|蔡伟
重庆科技大学冶金与动力工程学院，中国重庆401331
摘要
本研究采用简单的电化学方法，以大豆残渣（一种生物废弃物）为原料合成碳量子点（B-CDs）。所制备的B-CDs被系统地评估为多级闪蒸海水淡化厂酸清洗过程中用于保护换热器的可持续腐蚀抑制剂。通过TEM、FTIR、电化学测量、SEM、AFM和XPS对B-CDs进行了全面表征，分析了其微观结构、化学成分和腐蚀防护性能。结果表明，在20 V下制备的B-CDs表现出最佳的抑制效果，在25 mg/L浓度下达到了99.26%的抑制效率。XPS分析证实，其防护机制涉及吸附的B-CDs薄膜的形成，吸附特性符合朗缪尔模型，并与单层化学吸附行为一致。
引言
在海洋工程和海水处理应用中，铜镍（CuNi）合金因其优异的海水耐腐蚀性、抗污性能和良好的导热性而成为关键设备的首选材料[1]、[2]、[3]。它们广泛用于船舶和海上平台的海水管道、冷凝器和换热器系统，能够承受长时间的高温高盐度海水环境。这显著延长了设备的使用寿命并保持了运行效率。在海水淡化行业中，CuNi合金是多级闪蒸（MSF）单元换热管的核心材料。它们的抗结垢和耐腐蚀性能对于确保整个淡化设备的稳定运行至关重要。为了确保长期的服务可靠性，需要定期进行酸洗以去除表面结垢和腐蚀产物，从而恢复导热性和流体性能[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。在海水淡化厂中，通常使用硫酸清洗换热器以去除结垢沉积物[10]。然而，虽然酸洗可以去除表面氧化物，但也会侵蚀合金基体，导致过度腐蚀、晶界损伤甚至氢脆。这一过程会削弱材料的机械性能和耐腐蚀性[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。因此，严格控制酸浓度、温度和时间至关重要，同时需要加入专门的腐蚀抑制剂来最小化对CuNi合金的侵蚀损伤。使用抑制剂是最具成本效益和效率最高的策略。将这些化合物的微量引入酸洗液中，可以使其优先吸附在新暴露的金属表面上。这一过程形成的保护膜能够有效抑制酸对基体的侵蚀，而不会显著影响氧化物的去除效率[2]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。
早期的腐蚀抑制剂主要是无机化合物，如铬酸盐、钼酸盐和亚硝酸盐[26]。这些物质通过在金属表面形成致密的氧化膜来实现有效的腐蚀抑制，其中铬酸盐因其出色的阳极钝化性能而尤为突出。然而，这些抑制剂具有高度毒性，并会留下大量的环境残留物，尤其是六价铬，它具有强烈的致癌性。这加速了全球开发更环保替代品的努力[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。在日益严格的环境政策推动下，有机腐蚀抑制剂已成为现代腐蚀防护策略的主要选择，在学术界和工业界都受到了广泛关注。典型的例子包括胺类、唑类（如苯并三唑BTA）、磷酸盐和含硫有机化合物[6]。通过活性官能团介导的分子级相互作用，这些抑制剂在界面处形成单分子保护膜，作为阻挡腐蚀性物质的屏障[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。尽管有机腐蚀抑制剂在环保性和作用机制方面具有显著优势，但某些化合物仍存在生物降解性差以及在高温、高压或极端pH值等恶劣工况下稳定性不足的问题，这限制了它们在某些工业场景中的广泛应用。
碳量子点（CDs）作为一种新兴的基于碳的纳米级腐蚀抑制剂，其粒径通常小于10 nm，具有极高的比表面积和优异的分散性[10]、[37]。碳量子点上丰富的活性官能团（如羧基、羟基和氨基）通过物理化学配位作用，在金属表面形成致密连续的保护膜，有效阻挡了腐蚀性物质的侵入[38]、[39]。通过添加硫、氮或磷等元素进行异质掺杂，可以进一步调节其电子分布，增强电子给体能力，促进与金属空轨道的结合，提高吸附强度和覆盖范围。Aslam等人[40]使用水热法从甘蔗渣中成功合成了SB-CDs，并系统研究了它们在5% HCl溶液中对Q235钢的腐蚀抑制性能。结果显示，在150 mg/L的最佳浓度下，6小时浸泡后的抑制效率达到了96%。在72小时的延长测试中，静态和动态条件下的抑制效率分别保持在94%和92%，显示出优异的耐久性和环境适应性。Abd-El-Nabey等人[41]采用环保的微波辅助水热法制备了可持续的羽扇豆碳量子点（LCQDs），这些LCQDs在40°C、1.0 M HCl和175 mg/L的浓度下对碳钢的抑制效率达到了89.3%。尽管已经报道了许多具有优异抗腐蚀性能的量子点材料，但使用生物质衍生物作为合成前体具有独特的综合优势。生物质资源，特别是农业和工业废弃物，不仅能够实现内在的自掺杂（例如通过N和S等杂原子），还作为一种绿色、广泛可用且低成本的碳源系统。这一策略减少了對传统有毒或昂贵化学前体的依赖，同时提供了废物资源的高价值利用途径，兼顾了环保性和经济可行性。
在本研究中，通过电化学方法制备了B-CDs，以大豆残渣（一种丰富且低成本的富含杂原子的生物废弃物）作为碳前体，氨基硫脲和乙醇分别作为掺杂剂和溶剂。使用电化学测试、SEM、AFM和XPS全面表征了所得B-CDs在0.5 M H?SO?中对CuNi合金的耐腐蚀性能，并系统研究了合成条件对腐蚀抑制效果的依赖性。
章节片段
CD的制备
将大豆残渣干燥并通过80目筛子筛选后，即可使用。将3.0克这种粉末、3.0克氨基硫脲和0.5克氢氧化钠溶解在100毫升无水乙醇中，然后进行10分钟的超声处理以确保均匀性。电解装置配置了相距1厘米的铂阳极和石墨阴极。在电极上施加20 V、30 V和40 V的直流电压进行反应，持续时间为3小时。
B-CDs的表征
图2显示了在40 V下合成的碳量子点的TEM图像。根据一般趋势，反应过程中施加的电压越高，生成的碳量子点越小。对在40 V条件下制备的100多个颗粒的统计分析表明，平均粒径约为2 nm，标准偏差为±0.2 nm，表明其分布相对均匀且单一。通过FTIR对合成CD中的官能团进行了表征
结论
本研究通过电化学方法成功合成了B-CDs，并通过电化学测量系统评估了它们在硫酸中对CuNi合金的腐蚀抑制效果。研究结果表明，合成条件显著影响了B-CDs的抑制性能：较高的制备电压会导致抑制效率降低。值得注意的是，在20 V下制备并在25 mg/L浓度下应用的B-CDs表现出出色的保护效果。
CRediT作者贡献声明
谭博川：撰写——原始草稿，资源提供，数据分析。万瑞：研究调查，概念构思。周子涵：项目管理，数据分析。方一玲：资源提供，数据管理。龚志立：数据可视化，项目管理，资金获取，数据管理。李欣：项目管理，数据分析。郭雷：项目管理，资金获取，数据分析，数据管理。里亚德·马尔祖基：资源提供，数据分析，概念构思。蔡伟：
致谢
作者感谢King Khalid大学的研究与研究生院通过大型研究项目（项目编号RGP2-293-46，Bijie科学技术联合基金[2025] No.143）对本研究的资助。
