螺旋藻（Fucus spiralis）提取物作为盐酸介质中不锈钢的环保抑制剂：化学、电化学及表面分析

《Sustainable Chemistry One World》：Fucus spiralis extract as an eco-friendly inhibitor for stainless steel in hydrochloric acid medium: Chemical, electrochemical and surface analysis

海藻提取物抑制不锈钢在盐酸中的腐蚀研究，采用电化学和微观分析，证实其作为混合型抑制剂的有效性，最大效率83.6%在800 ppm，吸附符合Freundlich等温线，EIS显示84%腐蚀率降低，SEM-EDX证实保护膜形成。

　　

伊曼·巴蒂瓦（Imane Battiwa）| 尤斯拉·法里亚特（Yousra Fariat）| 阿卜杜勒雷扎克·布杜马（Abderrezak Boudouma）| 阿卜杜勒阿齐兹·艾特·西迪·穆（Abdelaziz Ait Sidi Mou）| 埃尔·马蒂·库姆里（El Mati Khoumri）

哈桑二世大学（Hassan 2 University）卡萨布兰卡分校，物理化学与生物分子材料生物技术实验室（LCP2BM），莫哈梅迪亚理工学院（Faculty of Science and Technology Mohammedia, FSTM），摩洛哥

摘要

腐蚀仍然是一个重大的工业挑战，这促使人们需要可持续的腐蚀抑制剂。本研究评估了螺旋藻（Fucus spiralis, FS）提取物作为绿色腐蚀抑制剂在1 mol/L盐酸中对SS304L钢的抑制效果。电化学测量结果显示，在800 ppm浓度下，经过6小时暴露后，其抑制效果达到83.6%。吸附过程遵循弗伦德利希等温线（Freundlich isotherm），表明表面覆盖不均匀。电化学阻抗谱（EIS）测试显示，随着FS浓度的增加，Nyquist图中的电容环直径增大，对应着腐蚀速率降低了84%。通过扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）分析进一步证实了形成的保护膜，氧气和氯信号的减少表明形成了有效的屏障。

引言

不锈钢（SS）因其耐腐蚀性而在工业应用中得到广泛使用，这种耐腐蚀性源于金属表面形成的铬保护层[1]。然而，在苛刻的酸性环境中，如酸洗、除鳞或油井酸化过程中[2],[3],[4]，这种保护作用可能会受到削弱。使用腐蚀抑制剂仍然是最实用和有效的保护策略之一[5],[6],[7]，尤其是与涂层[8],[9]以及阴极或阳极保护[10]等更复杂的方法相比。

含有杂原子（O、N、S、P）或不饱和键的合成有机抑制剂由于能够通过电子捐赠到金属的空轨道上来吸附到金属表面而具有有效性[12],[13],[14]。然而，它们的环境影响限制了其应用[15]，因此需要开发绿色替代品[16],[17],[18],[19]。其中，植物提取物和精油因其丰富性、可再生性以及含有多酚、黄酮类和单宁等生物活性成分而具有可持续的潜力[20],[21]。大量研究表明，这些提取物对多种金属有效，主要采用电化学方法如极化曲线法（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）进行评估。

例如，Schinus terebinthifolius叶子的精油在酸性溶液中对碳钢表现出显著的抑制效果，重量损失法测得的最大抑制效率为89.33%（浓度为1000 ppm）[22]。同样，桉树叶提取物在硫酸和磷酸环境中也对低碳钢具有保护作用[23]。此外，Fragaria ananassa（草莓）和Cucurbita pepo L（南瓜）叶提取物组合在盐酸中对低碳钢具有协同保护效果[19]。还测试了Piper chaba提取物在2 mol/L H₂SO₄溶液中抑制低碳钢腐蚀的效果，1000 ppm浓度下的抑制效率为86.53%，其吸附过程遵循朗缪尔等温线（Langmuir isotherm）[24]。

腐蚀抑制剂的效果取决于浸泡时间，这对保护机制有双重影响：需要一定的时间以确保完全吸附并形成稳定的保护层。然而，长时间暴露会逐渐破坏这层保护膜，从而降低抑制效率[25],[26],[27]。

与此同时，褐藻（Phaeophyceae，Fucales目）作为绿色腐蚀抑制剂的可持续来源引起了广泛关注。例如，Sargassum muticum属的提取物在酸性介质中对低碳钢表现出高抑制效率，重量损失法测得在500 ppm浓度下的抑制效率为99.25%[28]。另一项研究调查了Bifurcaria bifurcata提取物在1 mol/L盐酸溶液中抑制钢铁腐蚀的效果，结果显示该提取物表现为混合型抑制剂，在高浓度下主要发挥阳极保护作用，抑制效率为81%[29]。

螺旋藻（Fucus spiralis, FS）是一种广泛分布于非洲和欧洲大西洋沿岸的褐藻，由于其丰富的植物化学成分（包括藻酸盐、类胡萝卜素和酚类化合物[32]），已被用于制药和食品工业[30],[31]。以往关于FS的研究主要集中在半纯化成分或特定代谢物群（如花青素、岩藻多糖、脂肪酸）及其对肿瘤生长的影响[33],[34],[35]。最近的一项研究阐明了摩洛哥大西洋沿岸采集的FS中的化合物组成，主要化合物通过气相色谱-质谱（GC–MS）鉴定，并在表1中总结。

尽管植物和藻类提取物在腐蚀抑制方面显示出潜力，但仍存在两个关键的研究空白：首先，现有文献几乎仅关注碳钢，而对SS304L等不锈钢的应用关注较少；其次，富含化学成分的Fucus属在腐蚀应用方面的研究仍然不足。

为解决这两个问题，本研究首次探讨了螺旋藻提取物作为1 mol/L盐酸中SS304L绿色腐蚀抑制剂的潜力。采用多种技术方法对其抗腐蚀性能进行了评估，包括电化学测量（极化曲线和电化学阻抗谱）、表面表征（扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱）以及植物化学分析（傅里叶变换红外光谱和紫外-可见光谱）。还进行了热力学和吸附研究以阐明抑制机制。

研究方法片段

抑制剂提取

螺旋藻（FS）样本是在艾尔贾迪达（El Jadida）以南6.2公里的西迪布齐德（Sidi Bouzid）海岸低潮时采集的。生物质用蒸馏水反复清洗以去除所有外部污染物。干燥过程分为两个阶段：首先在室温下空气干燥，然后在40°C下再次干燥，以确保成分完全脱水且不发生降解。干燥后的材料用电动研磨机进行细磨。

傅里叶变换红外光谱（FT-IR）

傅里叶变换红外光谱用于识别提取物中的特征官能团，并检测其在腐蚀介质中的变化。FS提取物和被抑制表面的光谱在4000–4000 cm^?1范围内记录，使用的是配备单反射金刚石晶体的Spectrum Two FT-IR光谱仪（PerkinElmer，美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）。图1显示了FS提取物和被抑制表面的红外光谱

结论

本文证明，螺旋藻提取物是一种有效且环保的腐蚀抑制剂，适用于1 mol/L盐酸中的SS304L不锈钢。

电化学结果表明，FS提取物作为混合型抑制剂，可同时减缓阳极和阴极反应。Tafel外推法验证了其效果，在800 ppm浓度下，经过6小时暴露后的抑制效率达到83.6%。电化学阻抗谱（EIS）得到的Nyquist图也支持了这一结果

资金来源

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。

CRediT作者贡献声明

尤斯拉·法里亚特（Yousra Fariat）：数据可视化、软件处理、实验研究。阿卜杜勒雷扎克·布杜马（Abderrazzak Boudouma）：数据可视化、实验研究。阿卜杜勒阿齐兹·艾特·西迪·穆（Abdelaziz Ait Sidi Mou）：软件处理、实验研究、撰写与编辑、数据验证、方法论设计、实验研究。伊曼·巴蒂瓦（Imane Battiwa）：初稿撰写、数据验证、软件处理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。