《Surfaces and Interfaces》：Multi-Scale Investigation of
Eucalyptus globulus Essential Oil as a Green Corrosion Inhibitor for C45 Carbon Steel in 1 M HCl: Experimental and Computational Study
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大叶桉精油作为环保缓蚀剂在1M HCl中对C45钢的抑制率达94.95%-98.67%，通过实验与计算验证其多组分协同吸附机制及热稳定性优势。
林达·阿卜杜勒利（Lynda Abdelli）| 马利卡·努阿吉（Malika Nouadj）| 萨伊达·马尔米（Saida Marmi）| 法里德·莱克米纳（Farid Lekmine）| 阿卜杜勒瓦赫德·查拉（Abdelouahed Chala）| 哈娜娜·朱阿马（Hanane Djouama）
比斯克拉大学薄膜物理与应用实验室，BP 145 RP，07000 比斯克拉
摘要
对环境可持续腐蚀防护的迫切需求推动了高性能植物基抑制剂的研究。本研究展示了来自阿尔及利亚比斯克拉地区的Eucalyptus globulus精油（EGEO）作为C45碳钢在1 M HCl中的有效绿色腐蚀抑制剂，通过全面的实验和计算验证证明了其良好的防护效果。在2.0 g/L浓度下，抑制效率分别达到了98.67%（电位动力学极化法）、96.96%（重量法）和94.95%（电化学阻抗谱法），在已报道的天然抑制剂中具有竞争力。EGEO的化学成分（o-辛烯（13.42%）、1H-环丙[e]唑烷-7-醇十水合物（10.72%）、2-环己烯-1-酮衍生物（9.58%）和桉叶油醇（6.45%）通过多种配位位点提供了协同吸附机制。先进的表征结果显示：电荷转移电阻从30.93 Ω·cm2增加到607.04 Ω·cm2，表面粗糙度降低了76%，同时形成了疏水屏障（接触角从85°增加到101°）。吸附行为符合朗缪尔等温线，热力学参数（ΔGads = -28.77 kJ/mol）表明其吸附机制为物理吸附和化学吸附的混合。温度研究（298-328 K）显示EGEO在高温下仍保持高抑制效率（EIS > 96%，PDP > 97%），并且比之前的Eucalyptus抑制剂具有更好的热稳定性。密度泛函理论计算验证了实验结果，确定了金属-抑制剂相互作用的最佳电子特性。这项工作证明了EGEO作为一种可持续抑制剂，可与合成替代品相媲美，同时具有环境效益和工业应用前景。
引言
碳钢的腐蚀是一个重要的经济和环境挑战，每年给各行业造成约2.5万亿美元的损失，相当于全球国内生产总值（GDP）的3.4%，尤其是在石油和天然气、化工处理以及基础设施领域影响尤为严重[[1], [2], [3]]。C45钢在HCl溶液中的快速腐蚀需要有效的腐蚀控制策略，以防止设备故障并延长使用寿命[4,5]。最近利用声发射技术进行实时腐蚀侵蚀监测的进展表明，综合考虑界面降解过程、保护膜动态和环境相互作用对于开发有效的腐蚀防护策略至关重要[6]。这些机制性见解有助于合理设计抑制剂并优化其性能，特别是在酸性环境下，界面过程对防护效果起决定性作用。然而，传统的合成抑制剂虽然在各自的应用中有效，但存在多种显著缺点，包括环境影响、健康风险和效果限制[7,8]。因此，人们对来自天然来源的环保可持续腐蚀抑制剂的需求日益增长[[9], [10], [11]]。
绿色腐蚀抑制剂研究的最新进展表明，精油（EOs）是有前景的可持续替代品，可替代有毒的合成抑制剂[12,13]。尽管多种植物来源的EOs展示了腐蚀抑制能力，但大多数研究集中在粗提物或常见物种上，对于结构-活性关系和作用机制的理解仍存在空白[14,15]。Eucalyptus globulus精油（EGEO）因其富含氧化萜类和酚类化合物而成为有希望的候选者，这些化合物具有已知的金属结合特性[[16], [17], [18]]。
最近的综合性研究系统验证了绿色腐蚀抑制剂在多个性能维度上的优势。合理设计的绿色抑制剂可以实现超过94%的抑制效率，同时保持完全生物降解性，结合实验和计算方法可以实现预测性抑制剂设计[19]。其关键优势包括快速生物降解、无毒性降解产物、可再生来源和成本效益，并已在工业规模上得到成功应用[20]。系统的电化学研究阐明了基本的吸附机制[21]，确定物理吸附和化学吸附的混合机制是持续防护的最佳途径。
本研究超越了现有的EO抑制剂研究，提供了EGEO在1 M HCl中对C45钢腐蚀抑制性能的全面机制分析，通过实验验证与理论建模相结合，建立了结构-功能关系。研究假设EGEO成分通过混合类型的抑制机制进行吸附，在中等浓度下实现超过90%的腐蚀抑制效率。此外，还提出主要生物活性化合物通过物理吸附和化学吸附过程在钢表面表现出协同吸附行为。为了验证这些假设，本研究旨在实现三个主要目标：首先，通过重量损失测量确定最佳EGEO浓度以获得最大腐蚀抑制效率；其次，利用电位动力学极化和电化学阻抗谱法表征抑制动力学、吸附等温线和腐蚀机制；最后，利用密度泛函理论开发计算模型，预测EGEO成分与Fe表面之间的分子相互作用，从而用理论结合能和电子特性验证实验结果。这些发现将有助于开发环保的腐蚀控制策略，并为工业应用提供宝贵见解。
本研究对天然腐蚀抑制剂做出了多项贡献：(1) 首次全面表征了阿尔及利亚特有的Eucalyptus globulus化学类型，其o-辛烯含量较高，桉叶油醇含量较低，与传统E. globulus精油相比有显著差异。(2) 证明了其在高达328 K的温度下仍保持高抑制效率，与之前报道的E. globulus研究结果形成鲜明对比（后者在高温下效率急剧下降）。温度依赖性行为显示吸附机制从以物理吸附为主转变为以化学吸附为主。(3) 综合了重量法、电化学、表面表征和DFT计算建模的多尺度实验验证。(4) 通过热力学分析和分子级电子转移计算定量证明了物理吸附和化学吸附的混合机制。(5> 实现了显著的抑制效率，使这种精油成为1M HCl中碳钢的有前景的生物基腐蚀抑制剂。
植物材料采集
植物材料采集
从阿尔及利亚El-Alia Biskra地区的成熟Eucalyptus globulus树木上采集了新鲜叶子（地理坐标：34.51° N, 5.44° E）。叶子从健康无病的分枝上精心挑选，确保成熟度一致，以保持植物化学成分的一致性。叶子在室温下、黑暗且通风良好的环境中风干两周，确保完全干燥后再进行精油提取。
精油提取
精油的提取
GC/MS分析
对El-Alia Biskra地区的Eucalyptus globulus精油（EGEO）进行GC/MS分析，鉴定出68种化合物，其中o-辛烯（13.42%）、1H-环丙[e]唑烷-7-醇十水合物（10.72%）、2-环己烯-1-酮（9.58%）和桉叶油醇（6.45%）是主要成分。由于该地区的半干旱气候，这种化学类型的桉叶油醇含量较低，而o-辛烯含量较高（通常为49-83%）。这些氧化单萜类和碳氢化合物对此有贡献
结论
这项全面的实验和计算研究表明，
Eucalyptus globulus精油（EGEO）在1 M HCl这种恶劣环境中是有效的可持续腐蚀抑制剂，在最佳浓度（2.0 g/L）下实现了96.96%（重量法）、94.95%（EIS）和98.67%（PDP）的抑制效率。GC/MS分析确定了四种主要生物活性成分：o-辛烯（13.42%）、1H-环丙[e]唑烷-7-醇十水合物（10.72%）
CRediT作者贡献声明
林达·阿卜杜勒利（Lynda Abdelli）：概念构思、实验研究（重量法、电化学）和表面表征、数据分析和解释、原始草稿撰写。
马利卡·努阿吉（Malika Nouadji）：项目监督、项目管理、手稿审阅。
萨伊达·马尔米（Saida Marmi）：项目监督。
法里德·莱克米纳（Farid Lekmine）：电化学研究。
阿卜杜勒瓦赫德·查拉（Abdelouahed Chala）：项目监督。
哈娜娜·朱阿马（Hanane Djouama）：密度泛函理论计算。
数据可用性
作者无法或选择不具体说明使用了哪些数据。
声明模板
所有这些部分都是每种文章类型所必需的。
资助
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
CRediT作者贡献声明
林达·阿卜杜勒利（Lynda Abdelli）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念构思。
马利卡·努阿吉（Malika Nouadji）：项目监督。
萨伊达·马尔米（Saida Marmi）：项目监督。
法里德·莱克米纳（Farid Lekmine）：软件、数据管理。
阿卜杜勒瓦赫德·查拉（Abdelouahed Chala）：项目监督。
哈娜娜·朱阿马（Hanane Djouama）：软件。
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。
