含多个氮杂环亲水性的有机缓蚀分子对金属的锚定吸附效应与缓蚀性能研究

Efficient inhibition corrosion to metal equipments in sea-water medium has significant benefit to national welfare and live-in-hood，thus it is an important research field in chemical engineering and technology. This project proposes that hydrophilic organic inhibitors containing two or more nitro-hetero-cycle can produce multi anchoring adsorption effect on the metal surface, which prohibits the corrosion of metal in NaCl aqueous medium. A series of water soluble organic inhibitors containing two or more nitro-hetero-cycle will be constructed in this project. Through comprehensive research of inhibition efficiency, the relationship between multi anchoring adsorption effect and inhibition efficiency is revealed. Furthermore, organic inhibitors with much application potentials to metal equipment in NaCl aqueous medium will be obtained. This project utilizes sensitive in-situ method such as in-situ electrochemical-ellipsometric method to study the information and rules in the change of the surface of metal during inhibition corrosion in NaCl aqueous medium. Combined with material theoretical computation between organic inhibitors and the surface of metal, the key mechanism will be revealed at atomic /molecular levels. Finally, this project achieves the controlling inhibition efficiency to metal in NaCl aqueous medium at atomic/molecular level. The research contents such as synthesis of new organic inhibitors, inhibition efficiency and theoretical computation in this project have never been reported.

金属设备如钢铁、铜在海水介质中的有效缓蚀是化学工程与技术领域重要研究方向，对国计民生有着极大影响。本项目拟利用含两个或更多氮杂环亲水性的有机缓蚀剂在金属表面产生多锚定吸附效应，从而能够在氯化钠水溶液中对金属起到高效的缓蚀作用。将化学构建一系列亲水性含两个或更多含氮杂环的有机缓蚀剂，通过对目标分子系统的缓蚀效率研究，阐明锚定吸附效应与缓蚀效率之间的内在联系，并力求得到在氯化钠水溶液对金属具有应用潜能的亲水性有机缓蚀分子。拟利用原位实验方法，包括灵敏的电化学—椭圆偏振谱学技术等探究金属表面在氯化钠水溶液中的腐蚀—缓蚀变化信息与规律。结合缓蚀分子与金属表面相互作用的理论研究，力争从原子/分子尺度上揭示何种机制对金属的缓蚀过程起关键作用，从而最终实现在原子/分子尺度上有效调控有机缓蚀剂在氯化钠水溶液对金属的缓蚀性能。本项目所涉及的研究内容，如含多氮杂环有机缓蚀剂、缓蚀性质和理论研究未见文献报道。

金属设备如钢铁、铜在侵略性介质中如高盐、酸、碱，极易被腐蚀造成破坏。因此在侵略性环境中有效防护金属腐蚀是化学工程与技术领域重要研究方向，具有重要的科学研究价值，研究结果对国计民生极其重要。本项目基于分子工程，通过分子设计合成，化学构建一系列亲水性含两个或以上含氮杂环的有机缓蚀剂，作为金属在侵略性水溶液中的缓蚀剂材料。通过系统研究，如傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱、X射线能谱、X射线衍射谱图以及核磁共振谱图发现，这些目标分子通过多重配位原子作用，基于高效的化学配位反应，在金属表面产生锚定吸附效应。通过电化学椭圆偏振谱图及接触角测试发现，目标分子在金属表面形成性质优异的疏水性吸附层。进一步通过电化学极化曲线与阻抗谱图研究及结合失重实验，发现目标分子形成的有机吸附膜能够有效阻止侵略性离子如氯离子、氢离子、氢氧根离子等对金属表面的腐蚀，最大缓蚀效率最高可达99%。目标分子的抗金属腐蚀效应通过扫描电子显微镜技术与原子力显微镜技术进一步得到证实。本项目通过对目标分子系统的缓蚀效率研究，阐明了锚定吸附效应与缓蚀效率之间的内在联系，并得到在侵略性水溶液对金属具有应用潜能的亲水性有机缓蚀分子。本项目进一步利用原位实验方法，包括灵敏的电化学-椭圆偏振谱学技术与原位的扫描电子显微镜技术，探究获得了金属表面在侵略性水介质中的腐蚀-缓蚀变化信息与规律，特别是获得有机缓蚀分子在侵略性介质作用下的变化过程。本项目进一步利用分子构型模拟与材料动力学模拟，研究了目标缓蚀分子与金属表面相互作用的动力与机制，并从原子/分子尺度上理解金属的腐蚀-缓蚀过程中的控制要素，从而在原子/分子尺度上能够有效调控目标有机缓蚀剂在侵略性水溶液中对金属的缓蚀性能。本项目对深入理解金属设备腐蚀与缓蚀提供了全面与坚实的实验与理论依据，对指导发展新型的亲水性有机缓蚀分子能够提供指导作用，研究结果对于化学工程与技术以及材料科学与工程都具有十分重要的意义。