DFT調査で補完されたHCl環境における軟鋼に対するシッフ塩基誘導体の腐食抑制特性

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8979 (2023) この記事を引用

142 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

軟鋼の劣化を制限するために腐食防止剤や保護処理を使用することへの関心が高まっており、最先端の防止剤として多数のシッフ塩基が開発されています。 この研究では、シッフ塩基である 3-((5-メルカプト-1,3,4-チアジアゾール-2-イル)イミノ)インドリン-2-オン (MTIO) が HCl 中で軟鋼の腐食を防止する有効性を検証しました。重量損失測定、動電位分極測定、電気化学的インピーダンス分光法技術、および表面特性評価を使用して調査されました。 実験結果は、0.5 mM MTIO が 303 K で 96.9% という満足のいく阻害剤効率を示すことを示しました。MTIO 分子は、ラングミュア モデルに従って軟鋼表面に物理的および化学的に吸着し、チアゾール環の存在に起因すると考えられる緻密な保護膜を形成しました。 MTIO 構造内。 理論計算と実験技術を組み合わせて、防食性能と抑制のメカニズムを調査しました。

軟鋼は構造コンポーネントの製造に一般的に使用されます 1 が、特に環境腐食 2 を受けやすく、重大な経済的損失 3 につながります。 したがって、現在進行中の研究は、特に石油およびガス産業における産業用途向けの腐食防止剤 4,5 を開発することを目的としています 6,7,8,9。 効果的な阻害剤には、鉄の d 軌道に配位して配位結合を形成するために、複素環および/または窒素、酸素、硫黄、パイ系などのヘテロ原子が必要です 10、11、12。 有機抑制剤は環境的に安全であり、優れた耐腐食特性を示します13、14、15。 硫黄と窒素のヘテロ原子を含む芳香族チアジアゾールは、酸素と窒素を含むイサチンとともに電子供与体として機能します。 以前の研究では、1 M HCl 中で 0.01 M の 2-アミノ-5-メルカプト-1,3,4-チアジアゾールが軟鋼腐食に対して 99% の抑制効率を達成したと報告されています16。 アル・アミリーら。 新しいシッフ塩基、5,5'-((1Z,1'Z)-(1,4-フェニレンビス(メタニリリデン))ビス(アザニリリデン))ビス(1,3,4-チアジアゾール-2)の腐食保護を研究しました。 -チオール) (PBB) はイミン結合とフェニル環を含み、1 M HCl 溶液中で軟鋼に対して 95.16% の抑制効率を達成しました 17。 2 つの研究を比較すると、両方の研究で使用された阻害剤の化学構造にはチアジアゾールが含まれていますが、PBB にイミン結合とフェニル環が追加されたため、2-アミノ-5-メルカプト- 1,3,4-チアジアゾール。 耐腐食挙動は評価されていますが、どの置換基が腐食抑制に最も寄与するかはまだ不明です。 実験研究は費用も時間もかかるため、そのような問題を克服するために、現在は十分なソフトウェアとテクノロジーによってサポートされている理論的アプローチが採用されています。 粒子の腐食を防止する能力は、その電荷分布に依存します。この電荷分布は、量子化学シミュレーションの適用を通じて腐食抑制時の吸着サイトを予測できるため、理論的研究を通じて正確に決定できます18。 天然化合物と金属表面との相互作用に関連する分析結果に関する問題は、量子化学計算を使用して答えることができます19。 密度汎関数理論 (DFT) を使用すると、その配向と構造に関する阻害剤の挙動、および阻害剤が金属表面にどのように吸着するかを完全に説明できます20。 たとえば、Hadisaputra et al. DFT を使用して、金属防食化合物としてのクマリンとカフェインの有効性を予測しました21。 有機腐食防止剤が金属表面と相互作用する程度は、位置だけでなくドナー部位と電子吸引部位にも依存します22。

テトラゾール、イミダゾール、トリアゾール、キノロン、ピリジン、シッフ塩基、第四級アンモニウム塩、マンニッヒ塩基などの構造部分を持つ有機化合物など、腐食環境における軟鋼防食化合物に関する多くの研究が行われています23、24、25、26、27。 28、29、30。 高濃度の酸性環境で使用される特に重要な種類の腐食防止剤は、チアジアゾールとアルデヒドから作られるシッフ塩基です 31,32。 鋼表面上の保護バリアの生成は、チアジアゾール分子から生成されるシッフ塩基によって大きく影響されます。 軟鋼の腐食防止剤に関する多数の研究が発表されていますが、そのほとんどは塩酸、硫酸、リン酸などの強酸環境で行われています 33,34。 保護コーティングを形成したり、鋼表面に吸着したり、不溶性化合物を生成したりすることにより、抑制剤は活性部位をブロックして腐食を防ぎます 35。そのため、抑制剤の効率は抑制剤の構造に影響されます。 鋼表面への抑制剤の吸着は、リン、硫黄、酸素、窒素原子、およびパイ電子 (二重結合) の存在によって決まります 36。 分子の電子パラメータと腐食抑制効率の間の単純化された相関関係が評価されることがよくあります。 多くの研究で、これらの電子パラメータと有機腐食防止剤の腐食防止効率との間に関係があることが判明しています。 しかし、一部の研究者は、12 のさまざまな分子電子パラメーターが検査されたが、検査されたパラメーターのどれも保護性能との有意な関連性を示さなかったという研究結果によっては、異なる意見を持っています。 したがって、これらの特性と阻害性能の間に観察された相関関係は、少数の化合物についてのみ確立され、広く出版物に掲載されているが、その発見によって疑問が投げかけられている37。

金属基板の腐食は、さまざまな工業プロセスで直面する大きな課題です。 シッフ塩基は、その優れた吸着特性と皮膜形成特性により、腐食防止剤の有望な候補として浮上しています。 特に、シッフ塩基 3-((5-メルカプト-1,3,4-チアジアゾール-2-イル)イミノ)インドリン-2-オン (MTIO) は、酸性媒体中の金属基材の腐食防止剤として大きな可能性を示しています。 。 他のいくつかのシッフ塩基が文献で報告されていますが、MTIO の腐食抑制効率は実験的アプローチと理論的アプローチの両方を使用して広範に研究されていません。 したがって、この研究では、重量損失測定、動電位分極（PDP）測定、電気化学インピーダンス分光法（EIS）技術、および表面特性評価を使用して、MTIOの腐食抑制性能を調査しました。 さらに、密度汎関数理論 (DFT) 計算を使用して、腐食抑制の分子機構についての洞察を得ました。 この研究の結果は、腐食防止剤としての MTIO の有効性について新たな洞察を提供し、酸性環境における金属基材のより効果的な腐食防止戦略の開発に貢献します。 ここでは、図1に示すシッフ塩基型防食剤であるMTIOの防食特性を調査したので報告します。腐食性媒体中での金属下地鋼の腐食防止におけるMTIOの有効性をDFTを使用して調査しました。

MTIO の化学構造。

蛍光 X 線 (XRF) 分光計を使用して、次の重量比を持つ軟鋼クーポンの化学組成を分析しました: 0.21 C、0.05 Mn、0.09 F、0.05 S、0.01 Al、0.38 Si、残りが Fe。 PDP および EIS の測定には立方面積 \({1 cm}^{2}\) の標本が使用され、重量損失の測定には \(2.50 x 2.00 x 0.03 cm\) の標本が使用されました。 サンプルは ASTM G1-0338 に従って準備され、一連の炭化ケイ素プレート (グレード 320 ～ 1200) を使用して表面を削りました。 試験片を再蒸留水ですすぎ、続いてアセトンですすぎ、オーブンで乾燥させました。

腐食環境は、37% 塩酸を再蒸留水に溶解して調製した 1 M HCl でした。 さまざまな濃度の阻害剤 (0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、および 1.0 mM) を、1 M HCl で適切に希釈することによって調製しました。

体重減少の測定は、NACE TM0169/G3139 に基づいて行われました。 製造された金属基板クーポンの重さを量り、さまざまな濃度の試験した阻害剤 (\(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、\mathrm{ および }1\mathrm) を添加した 400 mL の 1 M HCl が入った 500 mL ビーカーに入れました。 { mM}\)) を 303 K の水浴中で 1、5、10、24、および 48 時間処理しました。 次に、一定期間後に乾燥する前に、試験片の表面から腐食生成物を取り除きました。 サンプルの重みを測定して、重量損失を決定しました (\(\mathrm{W}\))。 また、温度の影響を測定するために、ウォーターバスを使用して、金属基板を \(303, 313, 323\mathrm{ および }333\mathrm{ K}\) のさまざまな抑制剤濃度で抑制された腐食性媒体に 5 時間浸漬しました。 結果の正確性を保証するために、各テストは 3 回実行され、平均が記録されました。 腐食速度 (\({\mathrm{C}}_{\mathrm{R}})\) は、次の式 1 のように計算されました。 (1):

ここで、a はクーポン面積 (\({cm}^{2}\))、d はクーポン密度 (\({g.cm}^{-3}\))、t は浸漬期間 (h ）。

阻害効率は方程式に従って決定されました。 (2):

ここで、\({C}_{Ro}\) は抑制されていない溶液での腐食速度、\({C}_{Ri}\) は抑制された溶液での腐食速度です。

式に基づく。 (3)、θ (表面被覆面積) は、質量損失測定値から、腐食性溶液中のさまざまな抑制剤濃度に対して決定されました。

Gamry Instrument (\(reference\,600\,potentiostat/galvanostat/ZRA-\,model (Gamry,\,Warminster,\,PA,\,USA)\)) を使用して、ASTM G1 に準拠した電気化学技術を実施しました。 -0338。 金属基板サンプルを作用電極として使用し、定常状態の電位を 303 K に維持しながら、作用電極を酸性媒体に曝露してから 30 分後に電気化学測定を開始しました。影響電位は、スキャン速度 \({0.5 mV s }^{-1}\) で \(0.25\,から +0.25\,V\,SCE\) に変化しました。 次に、すべてのインピーダンス値を関連する等価回路 (EC) に当てはめました。 作用電極、対電極、および参照電極 (SCE) は、Gamry ウォータージャケット付きガラスセルを構成する主な電極でした。 飽和カロメル電極を参照電極として使用しました40。

研究中の物質の特性に関する追加情報は、吸着等温線全体で見つけることができます。 最適な等温線モデルを選択するには、Langmuir (式 4)、Temkin (式 5)、および Frumkin (式 6) などのいくつかの吸着等温線を利用して、阻害剤の表面被覆度 (θ) を推定する必要があります。 したがって、1 M HCl 溶液中のさまざまな阻害剤用量のパラメーター (θ) を、減量技術を使用して調べました。

ここで、Kads は吸着 - 脱着定数、θ は表面被覆率です。

金属基板クーポンを非阻害溶液および阻害溶液に 5 時間浸漬し、マレーシア ケバンサーン大学の電子顕微鏡ユニットで Compact FESEM (Zeiss MERLIN) を使用して STEM モードで分解能 0.8 nm (15 kV/1.6) で観察しました。セランゴール州で。 抑制剤の有無にかかわらず酸性媒体に曝露した後、クーポンを蒸留水で洗浄し、乾燥させ、SEMで分析しました。

量子力学計算の実行には Gaussian 09 が使用されました20。 B3LYP 汎関数を使用して、位置合わせを「6-31G + +」(d,p) に設定して、気体状態の有機分子構造を最適化しました。 関係式 (7) と (8) は、\({E}_{HOMO}\) と \({E}_{LUMO} に関連するイオン化ポテンシャル (I) と電子親和力 (A) を計算するために使用されました。 \)、これに応じて、コープマンの定理に従います41。

電気陰性度 (χ)、柔らかさ (σ)、および硬さ (η) を決定するには、式 (1)、(2) を使用します。 （９）～（１１）を利用した。

式 (12) を適用して、輸送された電子の分数 (\(\Delta N\)) を計算しました。42:

鉄の電気陰性度値 (χFe) は 7 eV に等しかったのに対し、鉄の硬度 ηFe は式 (1) のように 0 eV に等しかった。 (13):

\({C}_{R}\) および IE% を図 2 に示します。これは、阻害剤の腐食を防止する能力が、濃度が 0.5 mM まで増加するにつれて増加したことを示しています。 この濃度を超えると、阻害効率は一定のままであり、表面被覆率が平衡に達し、さらに濃度を増加しても効率の点でさらなる利益がもたらされないことを示しています。

1 M HCl に 303 K で 5 時間曝露した金属基板の \({C}_{R}\) および \(IE\%\) に対する阻害剤濃度の影響。

IE に対する曝露期間の影響は、軟鋼試験片をさまざまな抑制剤濃度の有無にかかわらず 1 M HCl に浸漬することによって調査されました (303 K で 1、5、10、24 および 48 時間)。 図 3 に示すように、IE は 5 時間まで急激に増加し、その後 24 時間まで安定して増加し、その後 IE は減少し始め、48 時間後に安定します。 金属基板表面に付着して保護バリアを形成する阻害剤分子の数が増加すると、IE が増加します。 阻害剤分子間のファンデルワールス力の作用により、一部の阻害剤分子の脱離が引き起こされ、その結果、活性領域が減少し、その結果、阻害効果が低下します。 1 M HCl の存在下での吸着保護層の安定性は、長時間の暴露中に示される比較的高い IE によって実証されます 43。

303 K、1 M HCL 中の軟鋼の CR および IE% に対する浸漬時間とさまざまな防止剤濃度の影響。

図 4 に示すように、MTIO の抑制性能に対する温度の影響を評価するために、さまざまな温度 (303、313、323、および 333 K) で重量損失試験を実施しました。結果は、腐食速度 (\({ 1 M HCl 中の金属基質の C}_{R}\)) は、同じ濃度の試験した阻害剤が存在する場合でも、温度とともに増加します。 これは、温度が上昇すると、HCl 分子がより活発になり、撹拌され、導電率が増加し、その結果として腐食速度が速くなるからです。 温度とともに腐食速度が増加するにもかかわらず、MTIO の添加は、低温に比べて程度は低いとはいえ、依然としてある程度の腐食保護を提供します44。

さまざまな MTIO 濃度の 1 M HCl に 5 時間浸漬した後の温度の影響。

温度が上昇すると、\({C}_{R}\) の増加により IE が減少し、金属表面からの抑制剤粒子の除去により腐食が発生し、それによって金属基板と接触する金属基板の表面が増加します。酸性環境、つまり \({C}_{R}\) です。 アレニウス 45 の関係式 (式 14) は、 \({C}_{R}\) と腐食プロセスの見かけの活性化エネルギー \({(E}_{a} )\) の重要な例です。

ここで、R は気体定数 (\(8.314\,J\,{mol}^{-1} {K}^{-1}\))、A はアレニウス パラメーターです。

さまざまな抑制剤濃度を使用した場合と使用しない場合の、腐食環境における金属基材の、さまざまな温度で 5 時間の対数腐食速度対 \({T}^{-1}\) のアレニウス プロットを図 5 に示します。 {E}_{a}\) 値は、(\({E}_{a}\)/2.303R) に等しい傾きに従って評価され、表 1 に示されています。 活性化エネルギー (\({E 303 K でのさまざまな阻害剤濃度に対するアレニウスの式から得られる }_{a}\)) の値は、阻害プロセスのメカニズムについての洞察を提供します。 一般に、Ea 値が高いほど、腐食反応に対するエネルギー障壁が高いことを示します。これは、抑制剤が反応を阻害する効果がより高いことを意味します。 この研究では、すべての阻害剤濃度において、阻害されたシステムの Ea 値が非阻害システムの Ea 値よりも高いことがわかりました。 これは、MTIO 阻害剤が腐食反応に対してより高いエネルギー障壁を提供し、阻害されていないシステムと比較して腐食速度が低下することを示唆しています。 さらに、阻害されたシステムの \({E}_{a}\) 値は、阻害剤濃度が 0.5 mM まで増加するにつれて増加し、濃度が増加するにつれて阻害剤の保護効果が強化されることが示されました。 しかし、0.5 mMを超えると、Ea値が減少しました。これは、金属表面上の阻害剤分子の飽和に起因すると考えられ、阻害効果の低下につながります。 全体として、303 K で得られた Ea 値の結果は重量損失測定と一致しており、腐食防止剤の腐食防止能力は 0.5 mM までは濃度の増加とともに増加し、それ以上の濃度では減少することが示されました。

アレニウスは、MTIO あり/なしの 1 M HCl 中でのさまざまな温度での金属基板の腐食をプロットします。

動的動的モデルを利用して、MTIO 粒子と金属基板の相互作用を評価しました。 減量結果から得られた \({C}_{R}\) の実験値を使用して、遷移状態関係における活性化錯体形成に対する活性化エンタルピー (ΔH) と活性化エントロピー (ΔS) を計算しました。 遷移状態は式(1)で表されます。 (15):

ここで、\({C}_{R}\) は腐食速度、h はプランク定数、N はアボガドロの数です。

図 6 は、log(\({C}_{R}\)/T) 対 1/T のプロットを示しており、パラメーター ∆H* および ∆S* は傾き (\({\Delta H} ^{*}\)/2.303R) と切片 [\(log(R/Nh)+({\Delta S}^{*}/2.303R)\)]。 表 2 に、運動熱力学的変数のリストを示します 45、46、47。 ΔS 値は阻害剤の有無で負に変化し、律速段階では解離ではなく結合（より大きな秩序化を示す）によって活性化複合体が生成されることを示唆しています。 これらの結果は、温度と濃度が増加するにつれて抑制効率が増加するという重量損失測定からの以前の結果と一致しており、抑制剤分子が金属基板の表面に吸着して保護層を形成していることを示しています。 さらに、正のΔH*値は、金属基板表面への阻害剤分子の吸着が吸熱過程であることを示唆しており、吸着が化学吸着ではなく物理吸着によって起こることを示しています。

異なる温度での MTIO を使用しない場合と使用する場合の HCl 中での金属基板の腐食の速度熱力学プロット。

MTIO 分子が金属表面に吸着すると、金属表面が腐食から保護されるため、MTIO の阻害プロセスを理解することにより、吸着等温線の研究が非常に重要になります。 表面被覆率を決定し、3 つの吸着等温線、つまり Frumkin、Temkin、Langmuir を評価して吸着機構を特定しました。 実験データを分析した結果、ラングミュア等温線が吸着データに適合する最も適切なモデルであることがわかりました (図 7)。 ラングミュア等温線は、回帰係数 (R2) 値が 1 に近い直線関係を示しました。 ラングミュア吸着等温式 (「吸着等温線」セクションの式 4) は、単層吸着剤の吸着挙動を説明するために一般的に使用されます 48。

さまざまな温度でさまざまな濃度の MTIO の存在下で 1 M HCl に 5 時間浸漬した軟鋼のラングミュア吸着等温線プロット。

\({K}_{ads}\) の値は、図 7 に示すラングミュア等温線プロットから計算されました。これは、\(log (C/\theta )\) と \({C}_ の間の線形関係を示しています) {inh}\)。 計算された \({K}_{ads}\) 値を表 3 に示します。 \({K}_{ads}\) 値は、阻害剤分子が金属基材にどれだけ効果的に付着するかを示します。したがって、\ が高いほど、 ({K}_{ads}\)、吸着が大きくなり、より効果的に阻害されます49。 試験した抑制剤の \({K}_{ads}\) 値は最も大きく、軟鋼表面への吸着が最も大きいことを示しています。 connection50 に基づいて、\({K}_{ads}\) の値と標準吸着自由エネルギー (\({\Delta G}_{ads}^{0}\)) は関係付けられます (式 16) ):

通常、物理吸着 (物理吸着) は、吸着の自由エネルギー変化 (\({\Delta G}_{ads}^{0}\)) が \(-20 \) \({kJ mol}^{-1}\)。 対照的に、抑制剤と金属表面の間の配位結合の形成を伴う化学吸着 (化学吸着) は、通常、\({\Delta G}_{ads}^{0}\) の値が負の値より大きい場合に発生します。 \(-40\) \({kJ mol}^{-1}\)。 このプロセスには、阻害剤分子から表面上の鉄原子の d 軌道へのヘテロ原子の不対電子移動が関与している可能性があります 35,51,52。 この研究の \({\Delta G}_{ads}^{0}\) の範囲は \(-34.48\) から \(-39.92\) \({kJ mol}^{-1}\) でした。これは、広範囲の吸着 (物理吸着と化学吸着の両方を含む) を示しています。 化学吸着分子は、金属が接続されている場所での金属の自然な反応性を低下させるため、より効果的な保護を提供すると期待されています。 ただし、Gads 値だけでは化学吸着と物理吸着を区別することはできません。 さらに、金属表面への阻害剤の物理的吸着は、化学的吸着の前に起こります 53,54。 値は正であり、温度の上昇とともに増加しました。 濃度が増加すると、活性化の自由エネルギーが増加します。これは、遷移状態を決定する律速における不安定な活性化複合体の形成によるものと考えられます。

EIS は、調査された阻害剤の濃度が異なる場合とない場合の溶液/金属界面の容量性および抵抗性の挙動に関するデータを提供します55。 30 分間の曝露期間後に開始された、異なる MTIO 濃度の存在下および非存在下での 1 M HCl 中の金属基板のナイキスト プロットが図 8(a) に示されており、比較可能であり、MTIO がそのメカニズムを変更することなく腐食を低減することを示しています 55。 界面インピーダンスの周波数分散による固体金属電極のナイキスト線図は、実軸中心を持つ低い半円で構成されます。 表面粗さ、電極表面の不均一性、電極の破損、MTIO 分子や不純物の吸着は、通常、この発生に起因すると考えられており 56、図 8b に表されています。 回路は \({R}_{s}\) (溶液の抵抗)、CPE (定位相要素)、および Rct (電荷転送の抵抗) で構成されます。 この例では、不純物の影響、多孔質層の形成、転位、阻害剤の吸着、および軟鋼表面の粒界57,58。 CPE インピーダンス (ZCPE) は、式 1 を使用して計算されました。 (17)59:

ここで、Y0 は定位相要素の定数、j は虚数、ω は角周波数、α は位相シフト (表面粗さの尺度) です。

(a) 非阻害溶液および阻害溶液における金属基板のナイキスト プロット。 (b) EIS データフィッティングに適用される等価回路。

CPE は、インピーダンス (\(\boldsymbol{\alpha } = 0\))、キャパシタンス (\(\boldsymbol{\alpha } = 1\))、インダクタンス (\(\boldsymbol{\alpha } = 1\)) を示すことができます。 、または n の値に応じてヴァールブルク抵抗 (\(\boldsymbol{\alpha } = 0.5\))。 式 (18) を使用して、阻害剤を添加しない場合と添加した場合の \({C}_{dl}\) 値を決定しました60。

ここで、抵抗の虚数成分の最大値 (\({rads}^{-1}\)) は周波数 ωmax で到達します。

表 4 に、\({R}_{s}\)、\({R}_{ct}\)、α、\({C}_{dl}\)、IE% などの測定変数のリストを示します。 、および表面被覆率 (θ)。 MTIO 濃度の増加に伴い \({R}_{ct}\) 値が大幅に増加しました。これは、阻害剤が金属基板に吸着することで電荷移動反応の速度を遅くし、それによって腐食を遅らせたことを示しています。レート61。 また、\({C}_{dl}\) 値は、おそらく局所誘電率の低下および/または電気二重層の厚さの増加のため、阻害剤溶液の方が非阻害剤溶液よりも低くなり、吸着プロセスによって阻害が防止されることが確認されました。金属基板の腐食62。 阻害剤を含む溶液の n 値は、阻害剤を含まない溶液の n 値よりも高く、ほぼ一定で 1 に近くなります。保護バリアが表面に吸着される63。

ターフェル投影は腐食にとって重要であり、動電位測定、周期分極、直線分極インピーダンスなどの分極アプローチに採用されています。 分極インピーダンスの観察は、薄膜 (および場合によってはコーティング層) の経時的な腐食ダイナミクスを評価するために利用できます。 保護コーティングの速度論的効果を評価するために使用される主なパラメーターは \({i}_{corr}\) であり、電流密度が高いほど電気化学的挙動が低くなります。 さらに、狭い不動態化電位範囲と低い孔食電位および速い腐食速度は、電解液の拡散を可能にするコーティングの欠陥と細孔を示し、保護コーティングの損失を促進します64。 ターフェル外挿法は、\({C}_{R}\) を推定するための一般的な偏光手法です。 標準的な減量測定と比較して、この手法 (ここで説明する特定の手法を指します) は高速で、より正確な結果が得られます。 ただし、2 つの方法は腐食の異なる側面を測定するため、分極曲線のターフェル外挿を使用して計算された腐食速度 (\({C}_{R}\)) は、重量損失を使用して計算されたものとは異なる場合があることに注意することが重要です。ターフェル式は、腐食の範囲を参照する機能があるため、電極表面で発生するすべてのイベントの速度論と熱力学を活用して \({C}_{R}\) と電位を予測する混合ポテンシャル理論を示しています。 -関連の反応。 腐食性の状況は、多くの場合、すべてのプロセスの可逆的な可能性から除外されます。 したがって、ターフェル反応速度論は、物質移動の制限が考慮されていない状況における腐食速度論の正確な説明を提供します。 金属電極が腐食性の水環境に浸漬されると、電極表面で陽極反応および触媒反応が自発的に発生し、電極の腐食につながります。 この場合、その後の電極電位と、表面で起こる各反応の逆転または平衡電位を比較することはできません。 \({i}_{corr}\) は、図 9 に示すように、曲線の線形成分を \({\mathrm{E}}_{\mathrm{corr}}\) に導くことで決定されます。均一な腐食を仮定すると、ファラデーの法則を使用して \({i}_{corr}\) を浸透速度または重量損失に変換することができ、大幅に低い腐食速度を測定できるだけでなく、調査対象のシステムを継続的に監視することもできます。 図 9 は、さまざまな濃度の MTIO の存在下および非存在下での、1 M HCl 中の軟鋼のナイキストおよびボード線図を示しています。 図 9 に手順と式を示します。 (19) は抑制効果をどのように評価したかを示しています。

ここで、 \({i}_{corr}\) と \({i}_{corr(inh)}\) は、抑制されていない溶液と抑制された溶液の電流です。

(a) ターフェル勾配の外挿。 (b) 阻害されていない溶液と阻害された溶液における金属基板の分極曲線。

図9は、303 Kでの、さまざまな阻害剤濃度の阻害されていない溶液および阻害された溶液における金属基板試料の分極曲線を示しています。 表 5 には、腐食電位 (\({E}_{corr}\))、腐食電流密度 (\({i}_{corr}\))、IE と陽極 (\({ \beta }_{a}\)) と陰極 (\({\beta }_{c}\)) のターフェル斜面。 Gamry-E chem Analyzer ソフトウェアは、非線形カイ 2 乗最小化を使用して情報を Stern-Geary 式に照合する Tafel フィット法を提供します。

MTIO による \({\mathrm{E}}_{\mathrm{corr}}\) の分散は、主に \({\mathrm{E}}_{\mathrm{corr}}\) シフトが 85 に達したときに発生します。 mV。 これは、腐食防止剤が陰極特性と陽極特性の両方を持つものとして分類できることを示唆しています。 その結果、粒子は混合型の挙動を持つと考えられます。 酸性媒体中に MTIO が存在すると、陰極での水素の生成が延期され、金属基板の陽極での分解が減速します。 表 5 によると、MTIO の添加により電流密度の測定値が低下し、MTIO 濃度が増加するにつれて \({C}_{R}\) が減少し、阻害効果が強化されました。 \({\beta }_{a}\) と \({\beta }_{c}\) で示されるように、両方のプロセスは MTIO の影響下にあり、MTIO が存在する間はほとんど変更されませんでした。 。 粒子は水素の発生や金属基材の溶解に影響を与えませんでした65。 酸性媒体中では、MTIO は金属基材の腐食を阻止または遅らせることに成功しました 66、67、68。 以下は、HCl 中での金属基板とカソードの反応であり、関係式 (20) はカソード反応のプロセスを示しています。

阻害されていない溶液における陽極反応機構 (式 21 ～ 24):

阻害された溶液における陽極反応機構 (式 25 ～ 30):

MTIO の存在により、\(\mathrm{Fe}.{inh}_{ads}\) の膜が生成され、陽極の鉄イオンの析出が効果的に防止され、金属基板と酸性媒体の間の界面の電荷が大幅に減少します。陰極水素反応の形成を制限します。 分極データは、MTIO が主に陰極効果を持つことを明確に示しています。

MTIOを含む阻害されていない塩酸溶液および阻害された塩酸溶液に5時間曝露したときの金属基板表面ストリップのSEM写真を図1および2に示します。 10aとb。 図 10a に見られるように、表面はたわみ、クラウン状になっており、金属基板表面の深刻な腐食を示しています。 図 10b は、MTIO を追加した図 10 (a) よりも腐食が大幅に少ない表面特性を示しています。

MTIO なし (a) および MTIO あり (b) の 1 M HCl における SEM 写真。

LUMOは電子を受け取る能力を示し、電子受容体であるのに対し、HOMOは電子を与える能力を示し、電子を有する。 EHOMO が上昇し、ELUMO が低下すると、金属基板表面に吸着する抑制剤粒子の容量が増加します。 図 11 に MTIO 分子の 3 番目の構造の様子を示し、表 6 に EHOMO と ELUMO を示します。

MTIO 分子の (a) 3 次構造、(b) HOMO、(c) LUMO。

計算結果は、MTIO の化学構造が非常に組織化されており、金属基板上に極めてよく吸着され、より広い被覆表面積を達成していることを示唆しているという点で合理的に一致しています。 MTIOのエネルギー最適化分子構造では、チアジアゾールのサイドリングは平面の外に伸びていますが、イサチンリングは平面であり（図11a）、チアジアゾールリングとイサチンリングの平らな構成が金属基板への吸着に理想的です。 図１１ｂによれば、ＨＯＭＯの電子密度はチアジアゾール環とイサチン環の一部に分散している。 さらに、図11cは、LUMOの電子密度が分子全体に分散していることを示しており、これにより、MTIO粒子から空の3d金属軌道へ、および4s金属軌道全体からLUMO69への電子の移動が促進されます。 阻害剤分子からの電子の移動により、陽極金属が溶解する速度が遅くなり、同時に金属基板の陽極位置の電子構造が増加します。 ただし、水素イオンが衝撃を受ける陰極サイトでは、逆電子供与により電子構造が欠如します。

したがって、MTIO 分子の混合型阻害特性は、単純な 2 つの異なる電気伝達によって説明できます。 MTIO 分子が Fe 原子に結合して金属錯体を形成する結果、金属基板試験片の表面に受動的金属イオン阻害剤コーティングが形成され、さらなる腐食が防止されます。 複素環は、吸着中の電荷移動に密接に関与していなくても、吸着プロセス全体に大きな影響を与える可能性があります。 エネルギーギャップ (ΔE) は通常拡大していますが、EHOMO は顕著であり、ELUMO は著しく低いです。 電子供与率 (ΔN) が示すように、MTIO 分子から Fe への電子供与の影響は、鋼から抑制剤への遡及的供与の影響よりも比較的広範囲に広がります。 Elnga らによると、ΔN が正の場合には、MTIO の電気陰性度 (χ) の低下によって促進される鉄 70 への電子の供与が、MTIO の阻害性能を高めるという。 他の複合グローバル ソフトネス (σ) が大きい場合、MTIO はますます複雑な方法でそれらと相互作用する可能性があります。 双極子モーメントは、相互に関連する 2 つのコンポーネント間の静電関係の強化に寄与する重要な追加要素です。 MTIO とさまざまな金属イオン基板の間の静電接触が強ければ強いほど、MTIO 双極子モーメントは大きくなります。

化合物内の原子電荷を定量化し、マリケン電荷を使用して阻害剤の活性部位を見つけるのは通常の手順です。 さらに、金属基板上へのヘテロ原子の供与吸着の可能性は、原子の負電荷とともに増加します。 重大な原子電荷 (S(17) = −0.862、N(1) = −0.123、N(14) = −0.377、O(10) = −0.467) があるため、窒素原子と酸素原子は次のように考えられます。金属の吸着を担当します。 MTIO のマリケン料金を表 7 に示します。

金属表面への阻害剤分子の吸着は、化学構造、原子電荷、酸性媒体中での挙動、金属基材の表面特性との相互作用など、いくつかの要因によって影響されます。 EIS、PDP、および重量損失技術により、MTIO 粒子が金属基板の腐食を大幅に遅らせ/抑制することが明らかになりました。 吸着等温線の調査 71、72、73 では、MTIO 粒子が金属基板にどのように吸着するかについてのラングミュア吸着モデルの仮定も確認されました。 金属基板への化学吸着は、MTIO 内のヘテロ原子の電子対によって促進されます。 図 12 は、酸性媒体中での金属基板の腐食防止について提案されているメカニズムを示しています。

酸性溶液中での金属基材の阻害メカニズムの示唆。

この研究は、塩酸溶液中での軟鋼の腐食に対する特定の化合物 MTIO の抑制効果を調査することを目的としました。 この研究では、重量損失、電気化学インピーダンス分光法、動電位分極技術などのさまざまな方法を使用して、腐食挙動に対する抑制剤の温度と濃度の影響を調査しました。 結果は、MTIO が有望な抑制特性を示し、軟鋼の腐食速度を大幅に低下させることを示しました。 したがって、この研究によって解決された主な問題の 1 つは、塩酸溶液中での軟鋼の腐食に対する効果的な抑制剤の開発です74,75。

まず、酸性溶液中での軟鋼腐食に対する MTIO の抑制特性を調査します。これは、腐食科学および工学の分野で関連するトピックです 76,77。 第二に、電気化学的インピーダンス分光法、動電位分極、重量損失測定などのさまざまな分析手法を適用して、MTIO の阻害効果を包括的に評価します。 第三に、この研究は抑制プロセスの速度論的および熱力学的側面についての洞察を提供し、これは新しく効果的な腐食抑制剤の開発に貢献する可能性があります。 最後に、この研究の結果は、石油・ガス、建設、運輸などのさまざまな産業における腐食防止剤の選択と適用に実際的な影響を与える可能性があります。

実際の産業におけるこの研究の重要性は、酸性媒体中で軟鋼を保護するための、新しく効果的で環境に優しい抑制剤の開発にあります。 軟鋼はさまざまな産業用途で広く使用されており、その腐食は重大な経済的損失を引き起こす可能性があります。 効果的な抑制剤を開発することにより、産業界は腐食を防止し、軟鋼の耐用年数を延ばすことができ、その結果、コスト削減と業務効率の向上がもたらされます。 さらに、環境に優しい抑制剤の使用は、業界における持続可能で環境に優しい実践に対する需要の高まりに対応しています。 全体として、この取り組みは、実際の産業におけるより効率的で持続可能な防食戦略の開発に貢献できます。

新しい取り組みで行われた新たな貢献と進歩は次のとおりです。

新しい抑制剤 MTIO を使用して、軟鋼を酸性媒体中での腐食から保護します。

重量損失、電気化学、および表面分析技術を組み合わせて、MTIO の阻害特性を研究します。

ターフェル分極曲線を使用した腐食プロセスおよび抑制メカニズムの動的熱力学パラメータの決定。

電気化学インピーダンス分光法 (EIS) テストにおける Cdl の低下と Rct の上昇を通じて、試験片の表面に付着した MTIO 粒子を観察します。

MTIO の阻害特性と、ベンズイミダゾール、イミダゾール、チオ尿素などの他の既知の阻害剤との比較。

MTIO の阻害効率に対する温度と濃度の影響の評価。

走査型電子顕微鏡 (SEM) とエネルギー分散型 X 線分光法 (EDX) を使用した、腐食性媒体への曝露前後の軟鋼試験片の表面形態と組成の調査。

これらの貢献は腐食防止の分野における進歩を表しており、酸性媒体中での軟鋼の保護のための効果的な防止剤としての MTIO の使用について新たな洞察を提供します。

MTIO は、O、N、S、パイ結合などの非常に効率的かつ効果的な吸着中心が存在するため、腐食性媒体中の金属基板試料に​​対して顕著なバリア特性を示します。 これらの中心は、試験片の表面上の活性位置を妨げます。 主な結論は次のとおりです。

腐食性媒体中では、MTIO は優れた金属基材防食効果を示し、重量損失法で測定した場合、303 K で 96.9% の抑制剤効率を示しました。

MTIO 粒子は金属基材に化学的に吸着して弱く結合しますが、温度が上昇するとその抑制性能は低下します。 阻害性能は MTIO 濃度の上昇とともに増加し、温度の上昇とともに減少します。 1 M HCl 溶液中、303 K で、最大の阻害性能は 96.9% でした。

\({\Delta G}_{ads}^{0}\) モデルは、自発的な化学吸着と物理吸着を予測します。 MTIO は、鋼と電解質の界面に MTIO 粒子の保護膜を生成することにより、金属基板の腐食を軽減します。

二重層静電容量の減少 (\({C}_{dl}\)) と電荷移動抵抗の増加 (\({R}_{ct}\)) は、MTIO 粒子が表面に付着していることを示しています。試験片の表面に保護層を形成し、腐食プロセスを妨げます。 この挙動は、重量損失や分極曲線などの他の腐食測定技術から得られた結果と一致しており、MTIO 阻害剤が金属基材を腐食から効果的に保護できることも示しています。 したがって、この点から得られる結論は、MTIO 粒子が試験片の表面に付着し、MTIO 阻害剤の優れた防食効果に寄与する効果的な保護層を形成するということです。

さらに、SEM 写真は、MTIO が金属表面の腐食攻撃を防止していることを示しています。

量子化学計算では、MTIO が酸素、硫黄、窒素を使用して試験片の表面に吸着していることが示されています。 シミュレーション解析の結果は実験室での観察と一致しており、MTIO 粒子の電子構造と金属基板上での吸着挙動を理解することができました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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著者らは、Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) による支援に感謝しています。

マレーシア・ケバンサーン大学は、コードGUP-2020-012に基づいて研究の一部に資金を提供しました。

材料工学部、イラク工科大学、私書箱: 10001、バグダッド、イラク

ナディア・ベティ

マレーシア・ケバンサーン大学（UKM）工学・建築環境学部化学・プロセス工学科、43000、バンギ、セランゴール州、マレーシア

アーメド・A・アル・アミリー & ワン・ノー・ロスラム・ワン・アイザック

エネルギーおよび再生可能エネルギー技術センター、イラク工科大学、バグダッド、10001、イラク

アーメド・A・アルアミリー

アル ファラヒディ大学、バグダッド、10001、イラク

ワリード・ハリド・アル・アッザウィ

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概念化、WNRWI; 方法論、注意。 ソフトウェア、注意。 検証、WKA。 形式的分析、WKA。 調査、AAA; リソース、WNRWI; データキュレーション、注意。 執筆—原案の準備、AAA。 執筆 - レビューと編集、AAA。 視覚化、WKA。 WNRWIの監督。 プロジェクト管理、注意。 資金調達、WNRWI すべての著者は原稿の出版版を読み、同意しました。

アーメド・A・アル・アミリーへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Betti、N.、Al-Amiery、AA、Al-Azzawi、WK 他 HCl環境における軟鋼に対するシッフ塩基誘導体の腐食抑制特性は、DFT調査によって補完されました。 Sci Rep 13、8979 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36064-w

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受信日: 2023 年 1 月 26 日

受理日: 2023 年 5 月 29 日

公開日: 2023 年 6 月 2 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36064-w

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