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文献介绍

重庆交通大学机电与车辆工程学院的高正源团队及西南石油大学石油与天然气工程学院的严永博团队在《International Journal of Electrochemical Science》期刊上发表关于红薯叶提取物（IBLE）为绿色缓蚀剂，研究其在1 M HCl溶液中对Q235 钢的腐蚀抑制作用与机理，解决了传统有机缓蚀剂对生态环境和人体健康有害的问题。

作者通过失重法、表面形貌分析、电化学方法以及理论模拟（包括密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟）对IBLE的吸附和缓蚀性能进行了全面考察。实验结果表明，IBLE是一种高效的混合型缓蚀剂，在200 mg/L浓度下表现出96.4%的最佳缓蚀效率。是因为IBLE在钢表面的吸附，涉及物理吸附和化学吸附，从而在钢和酸溶液之间形成了一层强大的保护膜。此外，分子模拟结果进一步证实了IBLE可以有效地吸附在Fe(110)基底上，为设计和开发新型绿色缓蚀剂提供了重要指导。

背景介绍

酸洗工艺广泛应用于去除金属表面（如低碳钢）的氧化皮、氧化物和其他污染物。但强酸（如硫酸或盐酸）在处理过程中会导致严重的金属溶解，造成材料损失和环境污染。为了解决这一问题，向腐蚀性溶液中添加特定量的缓蚀剂是一种常用方法。尽管许多有机缓蚀剂效率较高，但它们大多对生态系统和人类健康有害。因此，开发环保且经济高效的绿色缓蚀剂，如药物、纳米材料、离子液体和植物提取物，已成为腐蚀领域研究的热点。植物提取物因其天然、可再生、易于获取和高效的特性，是传统有毒缓蚀剂最有前景的替代品。

理论研究方法

1. 模拟构建：采用Materials Studio分子模拟软件，以Fe(110)表面作为铁基底，构建了一个包含1个缓蚀剂分子、300个H2O分子、5层Fe原子以及30 Å真空层的模拟盒子（30.6x35.2x52.1 Å）。
2. 模拟条件：选用了COMPASS力场、NVT正则系综、周期性边界条件、步长1fs、总时长500ps。

结果和讨论

1.IBLE分子在Fe(110)表面的吸附构型

图1 Fe (110) 表面中性条件下 IBLE 的平衡构型，(a, b) AGA，(c, d) APA，(e, f) DA，(g, h) AIA。

表1 IBLE 在 Fe(110) 表面上中性和质子化有机组分的 MD 指数。

从侧视图和俯视图可以看出，所有这些绿色物质（IBLE的组分）都与Fe表面平行排列。这表明IBLE分子倾向于平躺在金属表面，最大化其与金属的接触面积，从而形成更有效的保护层。值得注意的是，DA分子以垂直的烷基链平行吸附在Fe基底上，这可能赋予其疏水性，进一步增强了保护膜的性能，阻止水分子和腐蚀性离子的接近。由表1可知，更负的相互作用能和结合能表明更强的吸附作用。这些数据将有助于量化不同IBLE组分在金属表面的吸附能力，并解释其缓蚀效率的差异。

2.电化学分析

图2(左) Q235钢浸入含有不同浓度IBLE的1 mol/L HCl中的(a) 开路电位(OCP)时间和(b) 阳极极化曲线(PDP)，图2b中插入的图为局部放大图。图3（右） Q235钢浸入含有不同浓度IBLE的HCl介质中的(a)奈奎斯特图和(b)波特图。

表2 298 K 下 Q235 钢在无 IBLE 和有 IBLE 情况下的 PDP 参数。 表3 298 K下Q235钢有无IBLE的阻抗参数。

图2表明，随着IBLE浓度的增加，腐蚀电流密度显著降低，缓蚀效率提高。IBLE表现出混合型缓蚀剂的特性，对阴极（析氢反应）和阳极（钢溶解）反应均有抑制作用，但对阴极反应的抑制更为明显.。图3显示，加入IBLE后，Nyquist图中的容抗弧直径增大，表明电荷转移电阻（Rct）显著增加，而双电层电容（Cdl）减小。这证实了IBLE分子在钢表面形成吸附膜，有效阻碍了腐蚀过程。在200 mg/L浓度下，Rct值从空白溶液的9.1 Ω cm²增加到125.0 Ω cm²，缓蚀效率高达96.4%。

3.表面形貌观察

图4 钢样品在 1 mol/L HCl 溶液中浸泡 4 小时后未加 (a) 和加入 (b) 400 mg/L IBLE 的 SEM 形貌图像。

图5 钢样品在1 mol/L HCl介质中浸泡1小时后，在未添加（a）和添加400 mg/L IBLE（b）的情况下的LSCM图像。

图4像​显示，未受保护的钢表面严重腐蚀且粗糙，而经过IBLE保护的钢表面则变得光滑。LSCM图像​​进一步证实，腐蚀的钢表面存在大量薄片和凹坑，而加入IBLE后，表面仅可见少量腐蚀产物和峰值。表面粗糙度（Ra）值从未受保护钢的1.26 μm降低到受保护钢的0.29 μm，这清晰地表明IBLE在Q235钢表面成功形成了保护膜，从而表现出良好的缓蚀性能。

总结与展望

该文章成功制备并评估了甘薯叶提取物（IBLE）作为Q235钢在1 M HCl溶液中的绿色缓蚀剂。通过失重法、电化学测试（PDP和EIS）、表面形貌观察（SEM和LSCM）以及理论模拟（DFT和MD），全面揭示了IBLE的缓蚀性能和作用机制。结果表明，IBLE是一种高效的混合型缓蚀剂，在200 mg/L浓度下缓蚀效率高达96.4%。其缓蚀作用归因于IBLE分子在钢表面的吸附，该吸附同时涉及物理吸附和化学吸附，形成了有效的保护膜，显著降低了腐蚀速率并改善了表面形貌。分子模拟进一步证实了IBLE组分在Fe(110)基底上的平行吸附构型，为理解其分子层面的相互作用提供了理论支持。

​​未来研究可以进一步深入探索IBLE中各活性成分的具体缓蚀贡献，并尝试分离和纯化这些活性成分，以开发更高效、更具针对性的绿色缓蚀剂。也可以研究IBLE在不同腐蚀介质（如酸性、中性、碱性环境）和不同温度条件下的长期缓蚀性能，并评估其在实际工业应用中的稳定性和经济效益。结合机器学习和人工智能技术，有望加速新型绿色缓蚀剂的筛选和设计过程，为环境保护和材料防护领域提供更多可持续的解决方案。

文章信息

原文标题：Ipomoea batatas leaves extract as a green corrosion inhibitor for Q235 steel in HCl solution

标题中文翻译：甘薯叶提取物作为HCl溶液中Q235钢的绿色腐蚀抑制剂

期刊：International Journal of Electrochemical Science

DOI：10.20964/2021.10.40

通讯作者单位：重庆交通大学 机电与车辆工程学院

西南石油大学 石油与天然气工程学院