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【Materials Studio应用实例】生物分子在腐蚀性混凝土孔隙溶液侵蚀效应中的有效性的探索
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【Materials Studio应用实例】生物分子在腐蚀性混凝土孔隙溶液侵蚀效应中的有效性的探索

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复合材料
分类
Materials Studio

摘要:

今天,对可持续发展和环境意识的日益重视是至关重要的。腐蚀控制,通常通过抑制剂实现,其是一个突出的方法,植物提取物因其可及性和易于提取而受到青睐。然而,它们在碱性环境中的功效,在水泥和混凝土等建筑材料中很常见,仍然受到限制。本研究评估了水飞蓟提取物在模拟氯化物污染混凝土环境中作为缓蚀剂的潜力,采用电化学和表面分析来仔细检查处理样品的抑制特性和表面化学。通过对模拟混凝土溶液中水飞蓟提取物浓度为0.5%、1%和2%的分析,得到了基于极化测量的最佳缓蚀效率为96.5%。电化学阻抗谱(EIS)证实,与空白样品相比,抑制样品的低频阻抗对数(log|Z|10mHz)有明显的增加,暴露48h后从4.60上升到5.13。与空白碱性溶液相比,使用水飞蓟提取物浸泡5小时后,总抗性显著提高89%。水飞蓟对金属基体的保护作用主要通过三个关键机制:通过电子给予形成钝化表面膜,通过表面吸附抑制腐蚀反应,通过重组分的物理表面覆盖减少腐蚀物质的扩散。这些机制得到了各种表面研究的支持,这些研究揭示了保护层的形成,而不是源于硅成分的腐蚀产物。此外,通过计算机模拟计算,证明了碱性溶液中阳离子与硅藻土组分的相互作用以及所获得的配合物在金属表面的吸附。理论研究表明,配合物的吸附能为负(在分子动力学(MD)模拟中,[Ca(水飞蓟素)3]+2配合物的吸附能为-1129.83kcal/mol),证实了它们具有很强的界面粘附化学亲和力。

 

引言:

毫无疑问,当今世界所有社会的要求都是走向可持续发展和绿化。控制二氧化碳排放,控制石油和塑料制品的消耗,以及根据绿色环境引入新的标准,这些都是值得注意的例子。

 

除了电化学研究,包括极化和电化学阻抗谱(EIS),表面研究也被合并。场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)捕获完成的能量色散x射线光谱(EDS)测试评估了保护和腐蚀表面的整体状况。此外,光谱拉曼、掠入射x射线衍射(GIXRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)研究预测了应用样品的表面化学性质。此外,采用密度泛函理论(DFT)和分子动力学/蒙特卡罗耦合(MD/MC)计算机模拟计算了抑制配合物在金属活性位点上的吸附。

 

材料:

采用最简单、符合环保标准的方法提取。首先,水飞蓟被压碎,在阳光下晒干。48h后收集,取30g倒入500cc蒸馏水中。在磁力搅拌器上混合48小时,在60℃下加热。之后,用过滤器分离杂质,得到的溶液离心(4000rpm-10min)。上层透明溶液干燥48h,收集最终固体颗粒,即水飞蓟提取物(图1)。

DFT细节:

选择详细级DFT建模来获得所研究抑制剂的基本信息。与绿色水飞蓟素分子(存在于水飞蓟提取物中)形成了钙离子(Ca+2)配合物,即[Ca(水飞蓟素))2]+2和[Ca(水飞蓟素)3]+2。采用COSMO溶剂模型,结合GGA/PBE/DNP官能团/基组(DMol3代码中存在),对上述Ca+2/水飞菊碱基配合物的几何形状进行了充分的改进。随后,对精制配合物的电子特性进行了评估,包括与配合物轨道相关的图形/能量学(HOMO/ LUMO)、与福井相关的指标和转移电荷的值(ΔN)。

 

吸附的原子计算:

通过原子尺度的MC/MD模拟,计算了靶金属铁(110)[29-32]层上Ca+2/水飞蓟素化合物吸附的界面倾向。为了在气体介质中吸附[Ca(水飞蓟素)2]+2和[Ca(水飞蓟素)3]+2,选择了MC。此外,还考虑了MD模型来评价溶剂化铁吸附剂对络合吸附的影响。溶剂化介质由离子(氯化物和水合氢离子)和500个水分子组成。为了表示原子MC/MD计算中的势能,广泛选择了COMPASS力场[33,34]。在MD计算开始之前,成功地完成了5000步的能量最小化。对于时间周期为1ns的MD模拟,集合、温度和时间步长分别设置为NVT、298 K和1fs。金属层采用固定的原子位置。

 

结果与讨论:

为了探索水飞蓟在模拟混凝土溶液(SCS)中的保护性能,研究人员通常采用极化法,该方法以其可靠性而闻名。开路电位(OCP)和极化曲线如图2所示,根据极化图外推,相应参数见表1。

 

 

在图3中,示意图突出了被动层对腐蚀性SCS中存在的破坏性离子的脆弱性。随着时间的推移,这些离子会破坏钝化层的完整性,导致加速腐蚀。另一方面,如图4所示,水飞蓟提取物的成分在增强钝化层,增强其抗腐蚀性方面起着至关重要的作用。

 

 

在保护面板和未保护面板上进行EIS测量,相应的Nyquist曲线和Bode曲线分别如图5和图6所示。

 

如图7所示,时间常数分别表示空白样品的腐蚀产物为薄层和双电层。

 

使用FE-SEM检查了受保护和未受保护面板的表面形貌(图8)。显微照片清楚地描绘了金属表面腐蚀产物的积累,这是由电解质的解构离子攻击和非冷凝氧化层的产生造成的。相比之下,硅本保护的表面呈现出非常光滑的外观,表明存在屏障保护膜,有效地减轻了SCS中的攻击。在图8中,EDS/Mapping元素探测也显示了空白试样上O含量的升高,这表明由于金属表面的转化和表面覆盖而存在金属氧化物。

 

紫外可见分析提供了宝贵的见解,吸收性质的有机化合物存在于萃取介质。图9a所示的UV-Vis曲线显示,随着水飞蓟提取物浓度的增加,相应的特征峰强度也在增加,这表明在提取介质中有更丰富的官能团。为了评估未保护和保护金属表面的亲水性,作者进行了接触角测量。水滴图像和测量的接触角如图9b所示。结果表明,随着水飞蓟提取物在SCS中的浓度升高,接触角增大,说明水飞蓟分子具有疏水性。

 

拉曼测试可以用于准确识别存在于测试样品表面的化学键。图10显示了在含有和不含水飞蓟提取物的SCS中浸泡48小时的金属表面的拉曼光谱。

 

除了拉曼分析,抑制和未抑制样品的表面也使用FT-IR进行表征(图11a)。图11b给出了GIXRD图,说明了抑制底物和空白底物之间的比较。

 

采用分子/原子尺度方法(MC/MD)对[Ca (Silychristin)2]+2和[Ca(Silychristin)2]+2在Fe(110)基靶金属层上的气相吸附和水相吸附进行了基本研究。从这些方法中提取的最终模型细胞的视图(顶部/侧面)绘制在图12中。

 

表示这些电子特征的图片集合在图13中。可以明显地观察到,一个水飞蓟素配体的一些芳香部分(苯环和中心五元杂环)以及氧杂原子(位于侧羟基和中间醚基)在配合物的HOMO中起着至关重要的作用。进一步分析表明,所有水飞蓟素分子中的上述部分都可能成为亲电性福井指数的可能位点。

总结:

在本研究中,水飞蓟提取物在氯化物污染的混凝土环境中作为缓蚀剂进行了评估,得出了以下主要发现:

 

1.电化学研究表明,水飞蓟提取物的掺入浓度分别为0.5%、1%和2%,可显著降低腐蚀速率。值得注意的是,使用2%的浓度产生了显著的缓蚀作用,根据极化测量,腐蚀电流密度从4.2μA/cm2降低到1.8μA/cm2。此外,在EIS测试中浸泡5小时后,总阻力增加了89%,进一步证实了提取物作为缓蚀剂的有效性。

 

2.在金属表面形成保护膜和提高抗腐蚀性是由于水飞蓟提取物的成分。表面分析证实了保护层的存在,阻止了离子扩散,增强了耐腐蚀性。光谱分析鉴定出抑制化合物。

 

3.水飞蓟的防腐作用可以归结为三种机制:通过电子捐赠形成钝化膜,通过表面吸附抑制腐蚀反应,通过重组分的物理表面覆盖减少腐蚀性物质的扩散,这一点得到了计算机模拟计算的证实。

 

综上所述,这些结果突出了水飞蓟提取物在碱性环境中作为一种环保有效的缓蚀剂的潜力。在浓缩和应用技术方面的进一步研究和优化可以促进其工业采用,促进各部门的可持续性努力。

 

文章详情:https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.123554 

 

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