北京工商大學樊保民團隊對組裝型緩蝕劑的作用機理取得系列進展

【引言】

向環境介質投放緩蝕劑具有用量少、效率高且操作簡便等特點，是有效減緩金屬腐蝕的有效方法之一。隨著環保理念的普及，吸附型有機緩蝕劑逐漸成為基礎研究與工業應用的主流產品。然而，實際使用時，某些有機緩蝕劑常出現效果優異，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，但金屬表面吸附性能差。

【成果簡介】

有鑒于此，北京工商大學樊保民副教授團隊將分子識別與自組裝理論引入緩蝕劑研究，以緩蝕性能優良但水溶性差的十八胺（ODA）或曲唑酮（TDO）為客體，以簡單環糊精（CDs）或其有限交聯網絡（CCDs）為主體，經反相溶劑誘導構筑出分子組裝體，在保留客體化合物良好緩蝕性能的基礎上，實現難溶緩蝕劑的水相有效溶解分散。相關成果作為系列研究，相繼發表于Applied?Surface?Science?(2020, 514: 146086)，Journal?of?Molecular?Modeling?(2020, 26: 81)，Journal of Molecular Liquids (2020, 311: 113302; 2019, 292: 111446)。

【圖文導讀】

Figure 1. ODA/CCDs型分子組裝體的構筑路徑及分子動力學與對接分析

Figure?2.?20#鋼在含不同濃度CDDA的模擬蒸汽凝結水中的電化學阻抗譜

Figure?3.?顯性溶劑模型下TDO分子的全局反應性描述符

(a)，(e) 中性與質子化TDO分子的最優構型

(b)，(f) 中性與質子化TDO分子的最高占據軌道分布

(c)，(g) 中性與質子化TDO分子的最低未占據軌道分布

(d)，(h) 中性與質子化TDO分子的靜電勢分布

Figure?4．?動態力場下TDO在0.5 mol/L HCl與3.5% NaCl溶液中于Fe (1 1 0)面的吸附構型

【總結】

以CCDs與ODA間形成的分子組裝體CDDA為例，分子動力學模擬結果顯示交聯主體，CDs基元間以窄端口相對排列構型的非鍵能最大，為穩定構像；同時，分子對接計算結果表明客體ODA傾向于依靠CDs內壁一側形成氫鍵，結合能為-36.8^?kJ/mol。采用動電位極化與電化學阻抗譜評價CDDA對20#鋼在模擬蒸汽凝結水環境中的緩蝕效果，當添加濃度為1^?mmol/L時，緩蝕率可達93.7%，有效減緩腐蝕。對經CDDA處理后的碳鋼進行表面分析發現，表面僅探測到客體ODA的化學信息，說明客體經分子組裝后，有效溶解分散于水中，輸運至金屬表面后被釋放。以簡便方法合成多活性位點的曲唑酮化合物（TDO），并以此為客體完成組裝形成組裝體。對應組裝體可同時減緩碳鋼在中性（3.5% NaCl溶液）與酸性（0.5^?mol/L HCl溶液）介質中的腐蝕，緩蝕率可分別達93.1%與90.6%，酸性溶液使客體質子化的影響不大，具有較強普適性。此外，通過原子結合電子多尺度方法，構建客體的顯性溶劑模型，經密度泛函計算獲取反應性參數，最大限度地接近真實情況；鑒于緩蝕劑在金屬/電解質界面的吸附過程，同時包括物理、化學作用，該團隊基于perl語言，自建包括反應性力場與非反應性力場的動態立場，通過分子動力學模擬揭示客體在碳鋼表面的作用行為。