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2020-09-18
缓蚀剂技术凭借高效、成本低且操作简单等优点，已成为防腐蚀技术中应用最为广泛的方法之一。如今可持续发展战略已成为世界各国的共识，“绿色”缓蚀剂作为腐蚀防护领域重要的发展方向，引起人们的广泛关注。但缓蚀剂的深层次构效关系极为复杂，其防腐性能取决于金属、腐蚀介质、缓蚀剂的分子结构、溶解性、温度等诸多因素，使得研发具有应用前景且水溶性良好的高效环境友好型缓蚀剂极具挑战性。特别是缓蚀剂的分子结构与缓蚀性能之间具体的构效关系到底如何，多年来一直是缓蚀剂领域亟待解决的难题。
鉴于此，中国科学院宁波材料技术与工程研究所王立平研究员团队通过引入第一性原理以及分子动力学模拟技术，有效预测了有机缓蚀剂分子的吸附位点和吸附强度，并对缓蚀剂分子在金属表面的吸附轨迹进行解析，进而成功指导新型缓蚀剂的分子设计，研发出了碳量子点、生物大分子DNA、洛沙坦钾、四唑衍生物等一系列新型高效绿色缓蚀剂。相关成果作为系列研究，相继发表于Chemical Engineering Journal 406 (2021) 126863, Journal of Materials Science & Technology 52 (2020) 63–71, Journal of Molecular Liquids 305 (2020) 112789, Journal of Molecular Liquids 298 (2020) 111975, Corrosion Science 161 (2019) 108193, Applied Surface Science 492 (2019) 228–238。
研究首次发现S原子的桥接、N原子的掺杂分别使得BBTA、碳量子点在金属表面具有多重锚定吸附作用，从而显著提高了其缓蚀性能。进一步通过Fukui指数推断LP分子中的潜在活性吸附位点，研究了LP分子中咪唑环、四唑环、Cl原子等与Fe基底的径向分布距离，从而探究成键模式，证明其物理/化学作用协同的吸附模式可以有效阻止腐蚀性离子的渗透。总之，系列工作阐明的分子/原子尺度的缓蚀机制可以帮助研究者进一步理解缓蚀剂的构效关系，为设计和制备优异的新型高效绿色缓蚀剂提供了有力指导。
上述研究工作获得国家杰出青年科学基金和国家自然科学基金等的资助。
图1 中性以及质子化状态下的BTA和BBTA分子在Cu(111)表面的稳定吸附构型
图2 LP在Fe(110)表面的稳定吸附构型以及其分子中杂原子与Fe基底之间的径向分布函数
图3 LP单分子膜对金属基底的防护效果图
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