阐明基于苯并咪唑的分子对碳钢的缓蚀机制：一项综合实验与密度泛函理论（DFT）/密度泛函理论结合分子动力学（DFTB/MD）的分子建模研究

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Elucidating the corrosion inhibition mechanism of benzimidazole-based molecules on carbon steel: An integrated experimental and DFT/DFTB/MD molecular modelling study

苯并咪唑衍生物NTMBIA和NNBIA对碳钢在酸性介质中的腐蚀抑制效果及作用机理研究。通过电化学测试、SEM-EDX分析和量子化学计算，发现NTMBIA因甲基供电子效应抑制效率达95.45%，而NNBIA因硝基吸电子效应抑制效率较低。分子通过苯并咪唑骨架和氧羰基与金属表面吸附结合，DFT模拟证实NTMBIA+的活性更高，与实验结果一致。

　　

C. Halioui|N. Timoudan|J. Bensalah|M. El Faydy|M. Rbaa|N. Elouhabi|A. Bouabbadi|Z. Safi|N. Wazzan|F. Benhiba|H. Zarrok|H. Oudda|A. Zarrouk

摩洛哥肯尼特拉伊本·托法伊尔大学科学学院化学系先进材料与工艺工程实验室，邮政编码14000

摘要

本文采用了一系列理论与实验方法，研究了两种2-(烷基苯基)-1H-苯并[d]咪唑-1-基)醋酸盐（分别为萘-1-基2-(2-(对甲苯基)-1H-苯并[d]咪唑-1-基)醋酸盐（NTMBIA）和萘-1-基2-(2-(4-硝基苯基)-1H-苯并[d]咪唑-1-基)醋酸盐（NNBIA）在酸性介质中抑制碳钢腐蚀的效果。NTMBIA中苯环上的甲基作为电子供体，使其抑制效率提升至95.45%；而NNBIA由于含有吸电子的硝基，在最高浓度下仅达到85.60%。电位动力学极化（PDP）测试结果表明，这两种化合物作为混合型抑制剂能够有效减缓碳钢的腐蚀。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线（EDX）分析揭示了它们通过吸附在碳钢表面发挥抑制作用。这些醋酸盐在金属表面的化学吸附符合朗缪尔等温线。此外，还进行了量子化学计算，重点分析了它们的全局和局部化学反应性参数，以探讨其潜在的防腐作用。密度泛函理论（DFT）分析表明，NNBIA和NTMBIA主要通过分子的1H-苯并[d]咪唑结构与金属表面发生相互作用，氧羰基也对此过程有所贡献。

引言

腐蚀是一种不可避免的过程，通过化学、生物和电化学作用导致金属材料的逐渐降解。这一全球性问题在许多工业领域造成了巨大的经济损失，原因包括环境污染、设备过早失效以及生产计划中断[1][2]。在工业应用中，如锅炉除垢和油井清洗过程中使用含盐介质和酸性溶液会加速腐蚀，尤其是对钢的腐蚀，因为钢在酸性环境（HCl、H?SO?和H?PO?）中极易受到侵蚀[3][4][5]。 在腐蚀抑制策略中，有机抑制剂是最有效且成本效益最高的方法。这类化合物，尤其是含有杂原子（N、S、O）、共轭π体系和芳香结构的化合物，能够在金属表面形成保护层[6][7][8][9]。碳钢因其易获得性、优良性能和低成本而被广泛使用，但它在酸性环境中特别容易腐蚀[7]。研究表明，咪唑和苯并咪唑衍生物在酸性介质中对碳钢具有显著的抑制效果，这归功于它们的强吸附能力和分子结构[10][11][12][13][14]。 苯并咪唑及其衍生物在金属防腐领域引起了广泛关注。多项研究证明，这些化合物在酸性环境中是优秀的抑制剂[15][16][17][18][19][20]。以往的研究探讨了苯并咪唑及其衍生物在1 M盐酸溶液中作为碳钢腐蚀抑制剂的性能，结果显示所有三种苯并咪唑衍生物均表现出良好的防腐效果[21][22][23][24]。有研究结合实验和量子化学方法评估了某些苯并咪唑衍生物对低碳钢在盐酸中的腐蚀抑制效果，证实了它们的有效性。 本研究旨在考察两种合成的2-(烷基苯基)-1H-苯并[d]咪唑-1-基)醋酸盐（NTMBIA和NNBIA）在1 M盐酸中作为碳钢腐蚀抑制剂的性能。通过电化学测试，评估了这两种化合物在不同浓度和温度下的耐腐蚀特性，以及它们的吸附机制和相互作用特点。同时利用SEM-EDX技术详细分析了含有与不含这两种化合物的碳钢表面的形态差异。理论分析为理解其防护机制提供了重要信息，并有助于阐明结构与活性之间的关系。通过结合计算和实验方法，可以更全面地理解影响抑制效果的各个因素。本研究的目标是建立结构与性能之间的明确关联，阐明保护机制，并制定优化腐蚀抑制效果的策略。

材料

本研究使用的碳钢工作电极成分如下：0.230%硅（Si）、0.680%锰（Mn）、0.016%硫（S）、0.059%镍（Ni）、0.011%钛（Ti）、0.077%铬（Cr）、0.160%铜（Cu）、0.009%钴（Co）和0.370%碳（C），其余为铁（Fe）。测试前，电极使用180至1200目的砂纸进行精细抛光，随后风干并清洗。

极化研究

图1展示了在303K温度下，不含及含有不同浓度NTMBIA和NNBIA的酸性介质中碳钢的电化学极化曲线。其他相关参数（如腐蚀电位（Ecorr）、腐蚀电流密度（icorr）、塔菲尔阳极斜率（βa）和塔菲尔阴极斜率（βc）见表格2。 添加NTMBIA和NNBIA后，阳极和阴极极化曲线均发生了变化。

结论

• ?本研究有效证明了两种合成的NTMBIA和NNBIA在酸性介质中对碳钢的腐蚀抑制能力。电化学实验表明，这两种化合物通过混合型抑制机制降低了碳钢的腐蚀电流，从而增强了其防腐效果。

CRediT作者贡献声明

H. Oudda：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督。 J. Bensalah：初稿撰写、数据整理、概念构建。 Abdelkader Zarrouk：撰写 – 审稿与编辑、软件使用、资源调配、方法设计、实验研究。 N. Timoudan：初稿撰写、数据验证、方法设计、实验研究、数据整理、概念构建。 M. Rbaa：撰写 – 审稿与编辑。

利益声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本项目由吉达国王阿卜杜勒-阿齐兹大学科学研究系（DSR）资助，项目编号为IPP: 620-247-2025。作者衷心感谢DSR在技术和财务上的支持，同时感谢该校的高性能计算中心（Aziz超级计算机）为本研究提供的计算支持。