北京工商大学樊保民团队对组装型缓蚀剂的作用机理取得系列进展

【引言】

向环境介质投放缓蚀剂具有用量少、效率高且操作简便等特点，是有效减缓金属腐蚀的有效方法之一。随着环保理念的普及，吸附型有机缓蚀剂逐渐成为基础研究与工业应用的主流产品。然而，实际使用时，某些有机缓蚀剂常出现效果优异，但水相溶解分散性不佳（如十八胺、肉桂醛、曲唑酮）；水相溶解分散性良好，但金属表面吸附性能差。

【成果简介】

有鉴于此，北京工商大学樊保民副教授团队将分子识别与自组装理论引入缓蚀剂研究，以缓蚀性能优良但水溶性差的十八胺（ODA）或曲唑酮（TDO）为客体，以简单环糊精（CDs）或其有限交联网络（CCDs）为主体，经反相溶剂诱导构筑出分子组装体，在保留客体化合物良好缓蚀性能的基础上，实现难溶缓蚀剂的水相有效溶解分散。相关成果作为系列研究，相继发表于Applied Surface Science (2020, 514: 146086)，Journal of Molecular Modeling (2020, 26: 81)，Journal of Molecular Liquids (2020, 311: 113302; 2019, 292: 111446)。

【图文导读】

Figure 1. ODA/CCDs型分子组装体的构筑路径及分子动力学与对接分析

Figure 2. 20#钢在含不同浓度CDDA的模拟蒸汽凝结水中的电化学阻抗谱

Figure 3. 显性溶剂模型下TDO分子的全局反应性描述符

(a)，(e) 中性与质子化TDO分子的最优构型

(b)，(f) 中性与质子化TDO分子的最高占据轨道分布

(c)，(g) 中性与质子化TDO分子的最低未占据轨道分布

(d)，(h) 中性与质子化TDO分子的静电势分布

Figure 4． 动态力场下TDO在0.5 mol/L HCl与3.5% NaCl溶液中于Fe (1 1 0)面的吸附构型

【总结】

以CCDs与ODA间形成的分子组装体CDDA为例，分子动力学模拟结果显示交联主体，CDs基元间以窄端口相对排列构型的非键能最大，为稳定构像；同时，分子对接计算结果表明客体ODA倾向于依靠CDs内壁一侧形成氢键，结合能为-36.8 kJ/mol。采用动电位极化与电化学阻抗谱评价CDDA对20#钢在模拟蒸汽凝结水环境中的缓蚀效果，当添加浓度为1 mmol/L时，缓蚀率可达93.7%，有效减缓腐蚀。对经CDDA处理后的碳钢进行表面分析发现，表面仅探测到客体ODA的化学信息，说明客体经分子组装后，有效溶解分散于水中，输运至金属表面后被释放。以简便方法合成多活性位点的曲唑酮化合物（TDO），并以此为客体完成组装形成组装体。对应组装体可同时减缓碳钢在中性（3.5% NaCl溶液）与酸性（0.5 mol/L HCl溶液）介质中的腐蚀，缓蚀率可分别达93.1%与90.6%，酸性溶液使客体质子化的影响不大，具有较强普适性。此外，通过原子结合电子多尺度方法，构建客体的显性溶剂模型，经密度泛函计算获取反应性参数，最大限度地接近真实情况；鉴于缓蚀剂在金属/电解质界面的吸附过程，同时包括物理、化学作用，该团队基于perl语言，自建包括反应性力场与非反应性力场的动态立场，通过分子动力学模拟揭示客体在碳钢表面的作用行为。