THP作为一种混合型有机抑制剂，用于E24碳钢：电化学行为、吸附机制及理论建模

《Computational and Theoretical Chemistry》：THP as a mixed-type organic inhibitor for E24 carbon steel: electrochemical behavior, adsorption mechanism, and theoretical modeling

有机腐蚀抑制剂噻吩酚酞对E24碳钢在1M HCl中的抑制性能及吸附机理研究，采用OCP、PDP、EIS和DFT/MC模拟分析，最佳浓度1mM时抑制效率达73.70%，表明其通过形成保护膜抑制混合型腐蚀反应。

　　

Nazih Ouassou|H. Elmrayej|Nazih Asoufar|Mohamed Tanghourte|Mohammed El Mesky|Mohammed Jabha|Mohammed Chalkha|Mohamed Znini|Rajesh Haldhar|Seong-Cheol Kim|M. Taleb|El Houssine Mabrouk

摩洛哥梅克内斯穆莱·伊斯梅尔大学科学与技术学院环境与自然资源材料工程实验室，邮政信箱509，Boutalamine，52000 Errachidia

摘要

研究了有色杂环化合物3,3-双(4-羟基-5-异丙基-2-甲基苯基)异苯并呋喃-1(3H)-酮（THP）作为E24碳钢在1.00 M盐酸溶液中的有机腐蚀抑制剂的效果。实验在不同THP浓度（0.05、0.10、0.50和1.00 mM）和温度（25°C、35°C、45°C和55°C）下进行，以评估其在不同环境中的有效性。使用了三种电化学技术：开路电位（OCP）、电位动态极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）。实验数据通过Langmuir吸附等温线进行分析，以更好地理解THP与金属表面的相互作用。此外，还采用了密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛（MC）模拟两种分子建模方法，从原子层面研究THP与钢表面的相互作用。PDP和EIS测量的结果显示，在1.00 mM THP浓度下，最大抑制效率分别为73.70%和72.86%。腐蚀电位的变化较小（ΔEcorr < +85 mV），表明THP是一种混合型抑制剂，可以减缓阳极和阴极反应。THP的吸附在金属表面形成了一层保护膜，从而限制了金属的阳极溶解和阴极部位的氧合离子（H3O+）的还原。

引言

低碳钢（也称为软钢）是许多工业应用和日常物品制造中最常用的合金钢类型。它因其广泛的可用性、良好的机械性能和相对较低的成本而受到重视[1]、[2]。此外，其易于加工和多功能性使其成为结构部件、管道、机械和家用电器的首选材料，这凸显了其工业重要性。酸性环境在多个行业中起着重要作用。例如，在化学工业中，它们用于制造各种产品[3]；在食品工业中，它们用于食品保存[4]；在石油工业中，它们用于石油精炼和燃料加工；在冶金工业中，它们用于金属酸洗，即使用酸去除金属表面的锈蚀[5]。这些酸性条件对软钢具有高度腐蚀性，会导致氧化、锈蚀形成和潜在的材料失效，从而可能造成重大的经济和安全影响。

这种酸腐蚀可以由多种酸引起，如盐酸（HCl）、硫酸（H2SO4）、高氯酸（HClO4）和醋酸（CH3COOH）[6]、[7]、[8]、[9]。由于腐蚀带来的经济和安全影响，许多研究人员致力于开发更有效、环保且经济的碳钢保护方法[10]、[11]。在这些方法中，金属涂层保护被认为是最有效的方法之一。它涉及在钢表面涂覆一层薄薄的防护金属，如锌或其合金，以防止与腐蚀性物质接触。这些涂层提高了材料的机械强度，延长了使用寿命，并降低了维护成本，使其成为许多行业的首选解决方案[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。此外，金属涂层不仅提供物理保护，还能增强对局部腐蚀的抵抗力，并有助于工业应用中的长期耐久性。

非金属涂层保护也是一种有效、实用且经济的方法。它依赖于使用非金属化合物，如植物提取物衍生的分子或合成/商业抑制剂，这些化合物能够在酸性环境中限制腐蚀[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。在这些化合物中，有机颜色指示剂在化学或环境变化检测、化妆品、纺织品、农业食品和制药等领域非常有用[22]、[23]、[24]、[25]。其中一些指示剂，如酚酞、伊红Y和荧光素，也因其抗腐蚀性能而被研究。酚酞（THP）是一种三苯甲烷衍生物，广泛用作酸碱指示剂。其分子结构包含多个芳香环和氧原子，提供了丰富的活性中心，能够与金属表面相互作用。共轭π电子系统的存在通过供体-受体相互作用增强了其吸附能力。这些结构特征表明THP可以通过在钢表面形成保护层来提供有效的抑制作用，但这一潜力尚未得到探索。

然而，据我们所知，尽管酚酞具有潜在的抑制特性，但它之前尚未被研究作为1.00 M HCl溶液中E24碳钢的腐蚀抑制剂。因此，本研究旨在首次使用电化学和理论方法评估其抑制效率。

它们的化学结构富含不饱和键、芳香环和杂原子（氮、氧、硫），通过物理和/或化学相互作用促进其在金属表面的吸附[20]、[26]、[27]。基于这项研究，我们的研究关注了一种杂环颜色指示剂——酚酞（THP），作为盐酸（HCl 1.00 M）环境中E24碳钢的有机腐蚀抑制剂。测试了不同浓度的THP（从0.05 mM到1.00 mM）以及多种温度（从298 K到328 K），以评估其抑制效果。为了将理论预测与实验观察结果进行比较，对至少两个碳钢样品进行了重量损失测量，以便在实际条件下评估THP的抑制效率。

使用三种电化学技术研究了THP的性能：开路电位（OCP）、电位动态极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）。使用Langmuir吸附等温线分析了THP在钢表面的吸附行为，这是描述分子吸附最常用的模型之一。最后，基于密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛（MC）方法进行了理论计算，以更深入地从原子层面理解THP分子与金属表面之间的相互作用。总体而言，本研究提供了对THP腐蚀抑制机制的更全面理解，填补了关于其在酸性环境中用于E24碳钢的潜在用途的知识空白。

材料与溶液的制备

本研究中使用的工作电极由E24碳钢制成，其化学组成为：质量分数0.20%的碳（C）、0.05%的硫（S）、0.005%的磷（P）、0.07%的氮（N），其余为铁（Fe）。每次实验前，都使用不同粒度的碳化硅磨料纸（180、240、360、400、600、1000、1200、1500和2000）仔细抛光电极表面，然后用蒸馏水冲洗并用高纯度丙酮脱脂。

开路电位（OCP）曲线

图1显示了在298 K下，不含和含有不同浓度酚酞（THP，作为有机腐蚀抑制剂）的情况下，开路电位（OCP）随时间的稳定性。开路电位记录了1800秒，以达到准稳态。

所得曲线表明，所测试的腐蚀抑制剂——酚酞（THP）显著

结论

在本研究中，我们分析了一种商用杂环颜色指示剂酚酞（THP）在1.00 M盐酸（HCl）溶液中不同浓度和温度（从298 K到328 K）下对E24碳钢腐蚀的抑制效果和吸附机制。为此，我们使用了多种电化学和理论技术，包括EIS（电化学阻抗谱）、PDP（电位动态极化）和DFT（密度泛函理论）。

CRediT作者贡献声明

Nazih Ouassou：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究、数据分析。H. Elmrayej：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析。Nazih Asoufar：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究、数据分析。Mohamed Tanghourte：研究、数据分析。Mohammed El Mesky：撰写——审稿与编辑。Mohammed Jabha：数据分析。Mohammed Chalkha：软件支持。

资助

不适用。

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所述的工作。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）资助（RS-2025-22222973）。