Fructus broussonetiae提取物作为一种可生物降解的植物基腐蚀抑制剂，用于酸性介质中Q420钢的防腐：分子动力学/密度泛函理论模拟与实验验证

《Journal of the Indian Chemical Society》：Fructus broussonetiae extract as a biodegradable plant-based corrosion inhibitor for Q420 steel in acidic media: MD/DFT simulations and experimental verification

本研究采用绿色球磨法制备了Broussonetia papyrifera果实提取物（FBE），并通过FTIR、UV-Vis等分析其化学成分，发现其含大量活性基团和共轭芳香结构。电化学测试表明，FBE在0.8 g/L时对Q420钢的腐蚀抑制率达93.57%，机理包括形成均匀保护膜、吸附至钢表面活性位点（ΔG_ads=-25.58 kJ/mol）及主要成分与钢表面的电荷互补和结构适配。研究结果为开发低成本、环保的植物基腐蚀抑制剂提供了理论依据。

　　

陈书军|陈思怡|严志硕|涂琪琪|吴媛辉

遵义师范学院化学与化学工程学院，中国贵州省遵义市563002

摘要

为了解决酸性环境中的金属腐蚀问题并促进环境可持续性，本研究系统地研究了柚叶提取物（FBE）在1 M HCl中对Q420钢的腐蚀抑制性能和机制。FBE通过绿色球磨辅助的水提取法制备（产率：11.2%），其化学成分通过光谱分析得到鉴定，含有丰富的活性官能团（如羟基、羰基、C=C）和共轭芳香结构，这些都是腐蚀抑制的关键基团。电化学测试表明，FBE作为一种混合型抑制剂，可以有效减缓Q420钢的阳极和阴极腐蚀；当添加浓度为0.8 g/L时，其最大抑制效率达到93.57%。表面分析显示，FBE在Q420钢表面形成均匀的保护膜，从而抑制了H⁺和Cl^-的侵蚀，使钢表面粗糙度降低了20倍。吸附等温线分析表明，FBE通过与其多个活性位点结合而自发地吸附在Q420钢表面（ΔG_ads = -25.58 kJ/mol），FBE分子间的排斥力促进了有序、紧密的吸附排列。理论计算证实，FBE主要成分的优异抑制性能源于其与钢表面的结构兼容性和电荷互补性。

引言

金属及其合金是现代工业中不可或缺的材料，应用于基础设施建设、能源传输、电子设备和海洋工程等多个领域[1]，[2]。然而，金属与腐蚀性介质之间的电化学反应或化学反应是不可避免的，这对金属的服务安全性和使用寿命构成了严重威胁。根据美国国家腐蚀工程师协会（NACE）的最新报告，金属腐蚀每年造成的全球经济损失超过国内生产总值（GDP）的3%，其中酸性和盐性环境是最具破坏性的腐蚀诱因[3]，[4]。例如，HCl广泛用于酸洗过程中去除低碳钢的氧化皮和锈蚀，但也会导致钢基体过度腐蚀，降低机械强度并引发设备故障。同样，富含氯离子的海洋环境会加速铜和碳钢的溶解，因为Cl^-直接参与阳极溶解（例如，在碳钢表面形成可溶性的FeCl₄^2-），而不会形成保护性的钝化膜。这些问题凸显了开发可持续、高效腐蚀控制策略的迫切需求。

添加腐蚀抑制剂是最实用的腐蚀抑制策略之一，它们通过在金属表面形成薄膜或改变化学反应动力学来减缓金属的溶解[5]。传统抑制剂主要分为无机抑制剂和有机抑制剂，但两类都存在一些关键限制。无机抑制剂（如Cr⁶⁺、NO₂^-）具有高毒性，对人类健康和水生生态系统构成明显风险[6]。有机抑制剂（如胺类、噻唑类、吲唑类）表现出优异的抑制效果[7]，[8]，但由于合成过程复杂、副产物较多且价格昂贵，限制了其大规模推广和应用。随着人们对环境保护意识的提高以及全球环境法规的日益严格，“绿色”腐蚀抑制剂的研究成为重点。

植物提取物通常含有黄酮类、生物碱、酚类和氨基酸等功能性分子，这些分子包含杂原子（N、O、S、P）和共轭π系统。这些结构能够牢固地吸附在金属表面形成致密的保护膜。近年来，基于植物的腐蚀抑制剂因成本低廉、来源广泛、生物降解性好和抑制效率高而受到广泛关注。例如，芒果叶提取物作为一种混合型抑制剂，可以有效抑制1 M HCl介质中低碳钢的阳极和阴极腐蚀速率[9]；柑橘叶提取物在酸性环境中对低碳钢的腐蚀抑制效率超过90%[10]。此外，包括芒果叶提取物[11]、山楂叶提取物[12]、马铃薯叶提取物[13]、火棘提取物[14]和波斯欧当归种子提取物[15]等一系列植物提取物也被证明具有优异的腐蚀抑制性能。尽管取得了进展，但基于植物的腐蚀抑制剂的研究仍受到一些具体限制的阻碍。具体来说，许多植物基抑制剂需要高温沸腾（破坏活性成分并消耗大量能量）或使用有机溶剂（增加环境影响并提高整体成本）。此外，植物抑制剂的腐蚀抑制机制尚未得到充分阐明。此外，大多数已研究的植物基抑制剂来源于研究较为充分的植物种类，因此还有许多植物种类含有大量可用于开发腐蚀抑制剂的独特化学成分。

柚叶（Fructus broussonetiae）是Broussonetia papyrifera的果实，是一种未被充分利用的植物资源。在传统中医中，柚叶被用于滋养肾脏和恢复视力，这与其丰富的生物活性成分有关，包括生物碱、有机酸、黄酮类（如槲皮素、山柰酚）和多糖[16]，[17]。值得注意的是，这些化合物含有对腐蚀防护至关重要的结构基团，如极性基团、杂原子和共轭结构。尽管具有这些优势，但目前尚无研究将柚叶提取物作为腐蚀抑制剂进行报道，因此本研究通过室温球磨提取法制备了柚叶提取物（FBE）并将其作为环保型抑制剂使用。与之前研究的植物资源（如低产量的槟榔叶或稀有的Dalbergia odorifera）[18]，[19]相比，FBE具有原料易得、抑制效率高、生产成本低以及适用于绿色提取方法（如常温无污染水提取）等明显优势，有效解决了当前植物源抑制剂在成本和环境方面的问题。

FBE的化学成分通过FTIR、UV–vis和LC-MS分析方法进行了鉴定。其 在1 M HCl溶液中对Q420钢的防腐性能通过宏观（电化学阻抗谱和电位动态极化）和微观（SEM、AFM、水接触角（CA）技术进行了研究。FBE中主要成分的防腐机制通过量子化学（QC）计算和分子动力学（MD）模拟得到了阐明。这些发现不仅有望指导其他未充分利用的植物源抑制剂的发展，还将推动环保型腐蚀防护技术的进步。

材料与样品制备

2024年9月，在中国贵州省遵义市的遵义师范学院校园内采集了柚叶用于制备腐蚀抑制剂。新鲜采摘的柚叶经过彻底冲洗以去除表面污染物，然后在烤箱中（343 K，12小时）干燥。称取100克干燥后的柚叶，与1升蒸馏水充分混合后，放入行星球磨机中进行5小时的球磨提取。

活性成分分析

首先利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）基于分子振动原理对柚叶提取物（FBE）中的活性成分进行了分析。如FT-IR光谱（图3a）所示，3381 cm^-1处的宽峰与O–H伸缩振动相关[22]，表明FBE中含有大量羟基，这些羟基有助于提取物在水中的溶解。另外两个明显的峰位于2926 cm

结论

本研究通过水基球磨提取法制备了柚叶提取物（FBE）。FT-IR和UV-vis光谱结果证实FBE中含有丰富的活性官能团（包括C–O、–OH、C=C、C=O）以及共轭芳香结构。EIS和PDP测量表明，FBE显著增加了Q420钢/腐蚀介质界面的R_ct值；增加的R_ct值增强了钢的阳极溶解动力学障碍

CRediT作者贡献声明

涂琪琪：撰写——初稿、验证、方法学、实验研究。吴媛辉：撰写——初稿、方法学、实验研究、形式分析。陈思怡：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、实验研究、资金获取、概念构思。严志硕：撰写——审稿与编辑、监督、软件应用、方法学、实验研究。陈书军：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、实验研究、资金获取，

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了贵州省自然科学基金（编号ZK[2022]569）、遵义师范学院科研项目（CXY[2024]01）和遵义市科研项目（Zunshi Kehe[2024] 148）的支持。