【Materials Studio应用实例】胆碱氨基酸离子液体作为酸性介质中低碳钢的绿色缓蚀剂

摘要：

在298~328K的温度范围内，通过电化学分析、重量测量和表面形貌表征，评价了3种胆碱氨基酸离子液体([Ch][AA]ILs)对低碳钢在1MHCl溶液中的缓蚀性能。极化实验结果表明，[Ch][AA]il对阴极和阳极反应过程均有影响，证明[Ch][AA] il是混合型缓蚀剂。SEM/EDS扫描、XPS分析和分子动力学模拟结果表明，胆碱苯丙氨酸离子液体([Ch][Phe])在三种缓蚀剂中具有最高的防腐效果。吸附的标准自由能ΔGads在−20kJ⋅mol-1~−40kJ⋅mol-1之间，表明抑制剂分子在金属表面的吸附既包括物理吸附，也包括化学吸附。根据XPS研究和量子化学计算结果，缓蚀剂分子在金属表面的吸附与阴离子密切相关。缓蚀剂分子在金属表面形成厚的单层吸附层，防止金属腐蚀介质相互作用。分子动力学模拟结果表明，缓蚀剂分子在吸附过程中取代了预先吸附在金属表面的溶剂、水或任何其他离子，保护金属免受腐蚀。

引言：

金属腐蚀对工业造成的安全威胁和经济损失一直是研究人员关注的热点问题。低碳钢是一种低成本、高质量的合金，在工程上得到了广泛应用。然而，在油气行业中，由于工业酸洗、油井酸压、环境腐蚀等因素，管道、油罐、分离罐等设施的腐蚀加速。

 

Giancarlo Masci等利用胆碱取代咪唑阳离子，研制出胆碱-氨基酸基离子液体([Ch][AA]ILs)，该离子液体几乎无毒，被认为是绿色化学品。重要的是，尽管胆碱氨基酸离子液体已被报道广泛应用于几个领域，但尚未对其作为缓蚀剂进行研究。基于[Ch][AA]il具有高生物降解性、低毒性、低成本和高热稳定性等优点，本文采用失重法、电化学分析、SEM/EDS分析、XPS扫描分析和分子动力学模拟等方法研究了[Ch][AA]il在酸性介质中对低碳钢的缓蚀性能和缓蚀机理。

 

计算细节：

1. 量子化学

基于密度泛函理论(DFT)的量子化学计算使用Biovia Materials Studio 2020商业软件包进行。利用设置在DMol3中的DNP基组的B3LYP、GGABLYP和GGA-PW91官能团对缓蚀剂分子的几何结构进行优化计算，得到了最低未占据分子轨道(ELUMO)和最高已占据分子轨道(EHOMO)的能量。通过计算能隙(ΔE)、电离势(I)、电子亲和力(E)、总硬度(η)、总柔软度(σ)、绝对电负性(χ)、转移电子分数(ΔN)等一系列量子化学理论参数，在分子水平上分析由分子结构决定的缓蚀剂的缓蚀能力。

 

2. 分子动力学模拟

利用Biovia Materials Studio 2020商用软件包中的Forcite模块，对[Ch][AA]il分子在低碳钢表面的吸附行为进行了分子动力学模拟。

 

结果与讨论：

反应途径如图1所示，[Ch][AA]il分子结构如表3所示。

 

采用布鲁克500MHz超导核磁共振波谱仪采集三种离子液体的1h核磁共振波谱，如图2所示。

 

利用Thermo Scientific Nicolet iS50FT-IR对合成产物进行表征，如图3所示。

 

图4为样品在1MHCl溶液中，298K时不含和含不同浓度[Ch][Tyr]，[Ch][Trp]，[Ch][Phe]的动态电位极化图。

 

低碳钢在含不同浓度[Ch][AA]il的1MHCl溶液中，在298K下的交流阻抗的Nyquist和Bode图如图5和图6所示。

 

 

这些实验结果表明，在金属-电解质界面上发生了电荷转移过程，只有一个时间常数。根据以上分析，可以使用Randles等效电路拟合实验电路，如图7所示。

 

拟合曲线如图8所示。由吸附等温线截距得到的线性回归系数R2和Kads值如表8所示。

 

用扫描电镜/能谱仪(SEM/EDS)对样品在600ppm浓度下，不含[Ch][AA] il和含[Ch][AA]il的1MHCl溶液中浸泡的表面进行了研究。图9描绘了获得的SEM形貌图((a)-(d))以及匹配的EDS光谱((e)-(h))。

 

在含[Ch][AA]il和不含il的1MHCl溶液中，在600ppm浓度下浸泡8h后，工作电极表面的XPS扫描全谱如图10(a)所示，Fe、C、O的高分辨率XPS光谱分别如图10 (b)、(C)、(d)所示。

 

采用B3LYP、GGA-BLYP和GGA-PW91得到相同的几何优化结构和分子轨道信息，如图11所示。

 

吸附系统中温度和能量的平衡是分析和计算缓蚀剂-金属吸附模式和相互作用能的基础。图12为[Ch][AA]分子动力学模拟过程中能量和温度随时间的演化曲线。由图12可以看出，在1000ps后，温度变化范围为±10K，能量变化范围约为±0.5%，说明系统已经达到平衡。

 

从图14所示的峰可以推断出Fe(110)表面与[Ch][AA]il之间建立的相互作用的信息。

 

如图15所示，这表现在阴极-阳极反应减弱(过程1)和低碳钢内部电子转移减少(过程3)。

总结：

[Ch][AA]il是一种合成简单、生物可降解性高、毒性低、低浓度缓蚀率高的缓蚀剂，在酸性介质中可以有效、大幅度地降低低碳钢的腐蚀。[Ch][AA]ILs在1MHCl溶液中的缓蚀效率最高，在298k时可达94.9%。[Ch][AA]ILs是遵循Langmuir等温吸附的混合型缓蚀剂，缓蚀性能受浓度和温度的影响。[Ch][AA]il的缓蚀效率随缓蚀剂浓度的增加而增加。在298~328K范围内，[Ch][Tyr]的缓蚀效率从91.2%下降到74.8%，[Ch][Trp]和[Ch][Phe]的缓蚀效率略有下降。[Ch][AA]il的加入可以显著降低浸入酸性介质中的金属表面的腐蚀电流密度，显著增加工作电极与溶液之间的电荷转移电阻。表面形貌分析证明[Ch][AA]il对金属表面具有有效的保护作用。理论计算表明，HOMO和LUMO轨道主要位于氨基酸阴离子上，3种[Ch][AA] il的阳离子[Ch]+在Fe表面的吸附趋势几乎相同，说明它们缓蚀性能的差异主要源于[Ch][AA]il中阴离子[AA]-的差异。理论计算和实验测试的结果支持相同的缓蚀性能排名:[Ch][Phe]>(Ch)(Trp)比;(Ch)(酪氨酸)。分子动力学模拟结果表明，缓蚀剂分子取代预吸附在碳钢表面的溶剂水和离子的吸附过程是以化学吸附为主、物理吸附为辅的吸附过程。

 

文章详情：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.130541 

 

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