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缓蚀剂在工业过程中有着极其广泛的应用,尤其是在酸洗过程中,添加缓蚀剂是减缓酸洗金属腐蚀速度的最有效手段。在过去的50年中,人们开发了针对不同的金属或合金的各种缓蚀剂,并对缓蚀剂的缓蚀机理进行了大量的研究,提出了适用于不同种类缓蚀剂、不同介质条件下的腐蚀抑制机理。尽管如此,对新的高效缓蚀剂的开发和缓蚀机理的进一步研究从来都没有停止。本文合成了三种氨基三唑缓蚀剂,即3,5-二(2-噻吩基)-4-氨基-1,2,4-三唑(2-TAT)、3,5-二(3-噻吩基)-4-氨基-1,2,4-三唑(3-TAT)和3,5-二(4-羟苯基)-4-氨基-1,2,4-三唑(4-HPAT),采用元素分析和核磁共振分析确认了上述产物的结构。运用动电位极化、电化学阻抗谱(EIS)等电化学方法以及扫描电镜(SEM)等方法对2-TAT。和3-TAT在0.5 mol·L-1 H2SO4中对铜的缓蚀作用进行了详细的研究,并对2-TAT在1.0 mol·L-1 HCl中对铜的缓蚀作用也进行了研究。同时,还研究了三种氨基噻二唑缓蚀剂对铜的腐蚀抑制作用,即2-氨基-5-苯基-1,3,4-噻二唑(APT)、2-氨基-5-(4-甲氧基苯基)-1,3,4-噻二唑(AMPT)和2-氨基-5-(4-硝基苯基)-1,3,4-噻二唑(ANPT)。最后采用量子化学中的密度泛函理论(DFT)研究了六种缓蚀剂的缓蚀作用机理,讨论缓蚀剂分子在金属表面的吸附方式,建立了量子化学参数与缓蚀效率之间的QSAR关系。主要成果如下:
0.5 mol·L-1 H2SO4中,2-TAT和3-TAT均为有效的铜缓蚀剂,缓蚀效率随着缓蚀剂浓度的增大而增大。2-TAT和3-TAT表现为混合型缓蚀剂,但主要抑制腐蚀过程的阴极反应。温度对2-TAT和3-TAT在0.5 mol·L-1 H2SO4中的缓蚀效率基本没有影响。在0.5 mol·L-1 H2SO4中2-TAT和3-TAT在铜表面的吸附遵循Langmuir吸附等温式,且吸附过程自发进行。活化能和吸附自由能的计算表明,2-TAT在铜表面的吸附为化学吸附,而3-TAT在铜表明的吸附同时包括物理和化学过程。
在1.0 mol·L-1 HCl中2-TAT表现为阴极型缓蚀剂,且缓蚀效果随温度升高而降低。在相同浓度下,2-TAT在1.0 mol·L-1 HCl中的缓蚀效果好于在0.5 mol·L-1H2SO4中。在1.0 mol·L-1 HCl中2-TAT在铜表面的吸附仍然遵循Langmuir吸附等温式,且吸附自发进行,该吸附同时包括物理和化学两种吸附方式。
电化学研究表明,APT、AMPT和ANPT在0.5 mol·L-1 H2SO4中均为有效的混合型铜缓蚀剂,缓蚀效率随浓度的增大而增大。三者之间的缓蚀能力的顺序为AMPT>APT>ANPT。它们在铜表面的吸附遵循Langmuir吸附等温式,且吸附自发进行,吸附自由能计算表明吸附过程为物理吸附。
对上述缓蚀剂分子的DFT几何结构优化表明,六种缓蚀剂分子的最优化构型均为平面结构或近似平面结构,并且分子结构中存在多个吸附活性部位,这对提高缓蚀剂的缓蚀效率是有利的。对于TAT分子来说,亲电、亲核Fukui指数最高的是噻吩环上的S原子,而三唑环的亲核Fukui指数也较高。对于氨基噻二唑缓蚀剂,APT和AMPT中亲电、亲核Fukui指数最高的均为噻二唑环上的S原子,而ANPT中最高的亲电Fukui指数则位于硝基,亲核指数最高的仍为S原子。
无论是氨基三唑还是氨基噻二唑,缓蚀效率与分子的量子化学参数(如前线轨道能量、偶极矩等)之间不存在明确的相关性。通过多元回归的方法,建立了缓蚀效率与量子化学参数之间的非线性模型,实验数据和模型计算数据之间的相关系数达到0.95以上。其他的量化参数,包括极化率、油水分配系数和总负电荷数,与缓蚀剂的缓蚀效率之间不存在相关性。对于氨基三唑和氨基噻二唑而言,唑环上的电荷数与缓蚀效率之间存在良好的相关性。