吩噻嗪类药物对铜在稀硫酸中的缓蚀性能研究

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铜是一种重要的有色金属,与人类的关系十分紧密。它不仅具有相对丰富的自然资源,并且其优异的导热性、机械可加工性、延展性、耐磨性都是其它金属不可比拟的。相较于其他的金属,铜具有较低的电阻率,在电气、电子工业、建筑行业、国防工业以及机械制造等领域都有较大的应用。因此,铜在我们的生产生活中扮演着极其重要的角色。然而,在恶劣的环境下,铜的腐蚀情况较为严重,不仅会导致一系列经济损失,包括产品损失、资源浪费、停止生产、降低效率等,也会造成安全事故与环境污染。因此,金属的腐蚀与防护成为近些年来研究的热点。由于缓蚀剂技术具备高效快捷、易于操作、设备简单等特点,对金属资源的保护以及环境污染的控制起到较大的作用,已经成为一门成熟的技术应用于金属腐蚀与防护领域。由于传统缓蚀剂的毒性较大,随着绿色化学的发展和人们环保意识的不断提高,绿色高效腐蚀抑制剂的开发和探索已成为当前的重要课题。开发绿色经济的缓蚀剂成为一项重要课题。近年来,临床上的一些药物被研究用作缓蚀剂,实验证实了它们在酸性溶液中表现出优异的防腐蚀性能。本论文选取了四种可以直接口服、毒性较低、价格便宜,且具有较好溶解性的吩噻嗪类的药物作缓蚀剂。四种药物分别是奋乃静(PPZ)、氯丙嗪(CPZ)、二氧丙嗪(DPZ)、异丙嗪(PZ)。通过电化学测试(交流阻抗EIS、动电位极化曲线),再结合形貌表征(SEM)探究了不同空间位阻的两种药物(PPZ,CPZ)以及活性吸附位点不同(DPZ,PZ)的两种药物对铜在硫酸溶液中的缓蚀性能;同时,采用吸附等温方程从热力学角度解释其吸附行为,利用表面技术(FTIR、XPS)进一步探究其吸附机理;最后通过理论计算获得其量子化学参数,从理论上分析其分子结构与缓蚀效果的关系,进而对四种物质的缓蚀效率进行对比,得到以下结论:(1)从电化学阻抗和动电位极化曲线测试结果可知,四种吩噻嗪类药物都能够减缓金属铜的腐蚀,并且其缓蚀效率都是随着浓度的增大而增强,都属于阴极型缓蚀剂。在最大浓度为400 mg/L时,缓蚀效率都达到最大值,分别是:PPZ为94.9%,CPZ为97.2%,DPZ为94.4%,PZ为97.0%。在两个体系中,缓蚀效率的顺序分别为:CPZ>PPZ,PZ>DPZ。四种物质的缓蚀效率顺序为:CPZ>PZ>PPZ>DPZ。(2)从扫描电子显微镜的分析结果可以得知,加入四种缓蚀剂之后,铜的表面变得平整光滑,这得益于缓蚀剂吸附在其表面有效地抑制铜的腐蚀过程。并且从表面形貌图可以证实CPZ的缓蚀效果强于PPZ,PZ的缓蚀效果强于DPZ。(3)通过吸附等温方程对阻抗数据进行拟合,发现四种药物都符合朗格缪尔吸附模型,并且计算得到的吉布斯吸附自由能的绝对值均在20~40 KJ/mol之间,表明四种药物均存在物理吸附和化学吸附共同作用。(4)红外分析与X射线光电子能谱分析的研究结果也可证实,四种吩噻嗪类药物都在铜表面有效地吸附,并且与铜形成强配位键,保护铜基底免遭腐蚀。(5)理论计算表明,缓蚀剂的缓蚀效果与其结构密切关联。不同空间位阻的两种药物(PPZ,CPZ),较CPZ而言,PPZ具有更大的空间位阻,分子之间的排斥力影响其吸附,因而CPZ更容易吸附,缓蚀效果较好。不同活性吸附位点的两种药物(DPZ,PZ)均有N、S杂原子,但DPZ的S原子已被两个O原子占据,无法参与成键,而PZ是N-Cu和S-Cu键共同作用的,因此缓蚀效果更好。根据分子动力学模拟所得,缓蚀剂分子在Cu(111)晶面以平行方式吸附,四种物质的吸附结合能分别为:PPZ为155.84 KJ/mol,CPZ为157.93 KJ/mol,DPZ为130.96 KJ/mol,PZ为143.31 KJ/mol。这从理论上解释了缓蚀效率变化规律:CPZ>PPZ,PZ>DPZ。(6)基于以上实验探究,进行四种物质的缓蚀效率对比可以得知,在母体相同的情况下,空间位阻的大小、杂原子吸附位点的多少、取代基性质都可能会影响缓蚀性能,规律如下:有机分子的空间位阻大则使其更难吸附,卤素取代有利于缓蚀性能提升,参与成键的N、S杂原子活性吸附位点多的缓蚀剂效果更好。
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