苦参碱类缓蚀剂对低碳钢在1M盐酸中的缓蚀作用及定量构效关系分析

摘要

为寻求钢铁材料在盐酸酸洗过程中的高效绿色缓蚀剂，本文通过量子化学计算、失重测试、电化学测试和扫描电子显微镜系统地研究了六种天然来源的苦参碱及其衍生物（KSJ-1、KSJ-2、KSJ-3、KSJ-4、KSJ-5和KSJ-6）对1 M盐酸中低碳钢的缓蚀作用，并进行了量化构效关系分析。 量子化学计算结果表明，苦参碱及其衍生物均具有多个活性吸附中心。最高占据轨道（HOMO）和最低未占据轨道（LUMO）能量分布及Mulliken电荷显示活性吸附中心主要集中在N、O原子周围。苦参碱及其衍生物极可能通过这些活性中心吸附在低碳钢表面，从而抑制金属在酸液中的溶解。 失重和电化学测试结果表明，苦参碱及其衍生物是盐酸介质中低碳钢的高效环境友好型缓蚀剂，最高缓蚀效率可达93.78%；其中KSJ-5的缓蚀性能最好，在308 K、使用浓度为1.0×10-3 mol/L时采用失重法测得的缓蚀效率为88.94%。实验结果同时表明，苦参碱及其衍生物可通过物理吸附和化学吸附两种方式吸附在低碳钢表面来抑制其在酸液中的腐蚀，且缓蚀剂分子的吸附遵循 Langmuir 吸附等温式。试样表面的腐蚀形貌分析同样显示苦参碱及其衍生物能很好地抑制盐酸中低碳钢的腐蚀。 基于以上研究结果，本文通过定量构效关系（QSAR）分析探讨了苦参碱及其衍生物的量子化学参数与其对低碳钢在盐酸介质中的缓蚀性能之间的相关性。构效关系分析结果表明，低碳钢的缓蚀效率主要与缓蚀剂分子的最高占据轨道能量EHOMO和电子转移参数ΔN成正相关，苦参碱及其衍生物主要是通过提供电子与金属表面空d轨道相互作用，抑制金属在盐酸中的腐蚀。本文进而构建了定量构效关系模型：64.07 160.51 297.94HOMOIE E N? ? ? ?? ? ，为今后同类缓蚀剂的筛选和设计提供理论依据，亦可为新型缓蚀剂的分子设计和剪裁提供参考和借鉴。

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