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随着社会的进步，生态环境和可持续发展得到了人们的密切关注。有效防治金属及其合金的腐蚀是关系国民生计的重大战略，开发廉价高效型缓蚀剂分子是金属腐蚀与防护的重要研究方向之一。本论文着眼于高效缓蚀剂分子的设计和开发，通过电化学、表面形貌分析、表面成分分析、量子化学计算和分子动力学模拟等实验和理论的方法从原子尺度上探究了缓蚀剂分子对金属腐蚀抑制的动力学机制，并探究了缓蚀剂分子的结构与腐蚀抑制性能之间的构效关系，为未来开发高效缓蚀剂分子提供理论指导和依据。本文主要有以下几点发现：
第一，缓蚀剂分子的链长对缓蚀效率有影响。通过失重、电化学和表面形貌等方法探究了三种不同取代基链长的咪唑基离子液体1-乙烯基-3-甲基咪唑碘盐([VMIM]I)、1-乙烯基-3-丙基咪唑碘盐([VPIM]I)和1-乙烯基-3-丁基咪唑碘盐([VBIM]I)对X70钢在0.5M硫酸溶液中的腐蚀抑制性能。结果发现，缓蚀剂取代基链长越长，缓蚀效率越高。吸附等温模拟、量子化学计算和分子动力学模拟等结果表明，缓蚀剂分子通过物理吸附和化学吸附的混合吸附自发吸附到X70钢表面来阻止腐蚀性物质对金属的腐蚀。链长较长的缓蚀剂分子由于烷基的给电子作用更强，使得缓蚀剂分子更容易给出电子与金属表面发生化学吸附，从而表现出较高的腐蚀抑制效果。
第二，缓蚀剂分子取代基的极性对缓蚀效率有影响。通过电化学、表面形貌、吸附模拟、量子化学计算和分子动力学模拟等方法分别探究了4-羟基吡唑并嘧啶(HPP)、4-氨基吡唑并嘧啶(APP)和4-巯基吡唑并嘧啶(MPP)三种不同极性取代基的缓蚀剂分子对Q235钢在0.5M硫酸溶液中的腐蚀抑制性能和作用机制。结果表明，MPP的缓蚀效率依次大于APP和HPP。这主要是由于S原子半径较大，易于极化，使得-SH比-NH2和-OH具有更强的给电子能力，更容易吸附到金属表面。
第三，缓蚀剂分子的空间位阻对缓蚀效率有影响。通过电化学和表面形貌等方法探究了不同结构的生物功能缓蚀剂头孢匹罗和头孢克肟对铜在0.5M硫酸溶液中的缓蚀效率。结果表明，头孢克肟比头孢匹罗表现出更优的腐蚀抑制作用，这主要归因于头孢克肟有较小的空间位阻，更容易吸附到铜表面。此外，缓蚀剂膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈实验中观察到了明显的抑菌圈，表明两种缓蚀剂分子吸附膜对这两种菌落的生长有很好的抑制作用。
第四，不同杂环取代基的缓蚀剂分子对缓蚀效率有影响。设计并成功合成了噻吩取代和呋喃取代的缓蚀剂分子3，3-(呋喃-2-基亚甲基)二(1H-吲哚)(FYBI)和3，3-噻吩-2-基亚甲基)二(1H-吲哚)(TYBI)。目标分子可通过简单的浸泡自组装方法组装到铜表面。通过椭圆偏振光谱和接触角仪测试了自组装膜的厚度和疏水性能，进一步通过实验和理论计算等方法探究了自组装膜对铜在0.5M硫酸介质中的腐蚀抑制效率和作用机制。结果表明，TYBI比FYBI具有更好的缓蚀效果，这归因于噻唑环比呋喃环具有更强的给电子能力，更容易组装到铜表面，表现出较厚的自组装膜和较强的腐蚀抑制作用。
第五，缓蚀剂分子取代基的个数对缓蚀效率有影响。设计并合成了单边吲哚取代的4-((1H-吲哚-3-基)甲基)苯酚(IMP)和双边吲哚取代的4-(二(1H-吲哚-3-基)甲基)苯酚(DIMP)。目标分子在0.5M硫酸水溶液中会通过分子间作用力发生自聚集并吸附到铜表面形成自聚集体保护膜。电化学和表面形貌测试表明自聚集膜对铜有较好的腐蚀抑制能力。接触角测试、吸附模拟、X射线光电子能谱(XPS)分析和理论计算等进一步分析了自聚集体缓蚀剂的动力学作用机制。结果表明，DIMP自聚集体的腐蚀抑制效果要明显优于IMP，这主要是由于双边取代的DIMP比单边的IMP具有更多的自聚集活性位点，会有更强的驱动力来发生自聚集。此外，双边的DIMP给电子能力更强，在铜表面的吸附和组装也更容易，使其自聚集体保护膜表现出较强的缓蚀性能。
第一，缓蚀剂分子的链长对缓蚀效率有影响。通过失重、电化学和表面形貌等方法探究了三种不同取代基链长的咪唑基离子液体1-乙烯基-3-甲基咪唑碘盐([VMIM]I)、1-乙烯基-3-丙基咪唑碘盐([VPIM]I)和1-乙烯基-3-丁基咪唑碘盐([VBIM]I)对X70钢在0.5M硫酸溶液中的腐蚀抑制性能。结果发现，缓蚀剂取代基链长越长，缓蚀效率越高。吸附等温模拟、量子化学计算和分子动力学模拟等结果表明，缓蚀剂分子通过物理吸附和化学吸附的混合吸附自发吸附到X70钢表面来阻止腐蚀性物质对金属的腐蚀。链长较长的缓蚀剂分子由于烷基的给电子作用更强，使得缓蚀剂分子更容易给出电子与金属表面发生化学吸附，从而表现出较高的腐蚀抑制效果。
第二，缓蚀剂分子取代基的极性对缓蚀效率有影响。通过电化学、表面形貌、吸附模拟、量子化学计算和分子动力学模拟等方法分别探究了4-羟基吡唑并嘧啶(HPP)、4-氨基吡唑并嘧啶(APP)和4-巯基吡唑并嘧啶(MPP)三种不同极性取代基的缓蚀剂分子对Q235钢在0.5M硫酸溶液中的腐蚀抑制性能和作用机制。结果表明，MPP的缓蚀效率依次大于APP和HPP。这主要是由于S原子半径较大，易于极化，使得-SH比-NH2和-OH具有更强的给电子能力，更容易吸附到金属表面。
第三，缓蚀剂分子的空间位阻对缓蚀效率有影响。通过电化学和表面形貌等方法探究了不同结构的生物功能缓蚀剂头孢匹罗和头孢克肟对铜在0.5M硫酸溶液中的缓蚀效率。结果表明，头孢克肟比头孢匹罗表现出更优的腐蚀抑制作用，这主要归因于头孢克肟有较小的空间位阻，更容易吸附到铜表面。此外，缓蚀剂膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈实验中观察到了明显的抑菌圈，表明两种缓蚀剂分子吸附膜对这两种菌落的生长有很好的抑制作用。
第四，不同杂环取代基的缓蚀剂分子对缓蚀效率有影响。设计并成功合成了噻吩取代和呋喃取代的缓蚀剂分子3，3-(呋喃-2-基亚甲基)二(1H-吲哚)(FYBI)和3，3-噻吩-2-基亚甲基)二(1H-吲哚)(TYBI)。目标分子可通过简单的浸泡自组装方法组装到铜表面。通过椭圆偏振光谱和接触角仪测试了自组装膜的厚度和疏水性能，进一步通过实验和理论计算等方法探究了自组装膜对铜在0.5M硫酸介质中的腐蚀抑制效率和作用机制。结果表明，TYBI比FYBI具有更好的缓蚀效果，这归因于噻唑环比呋喃环具有更强的给电子能力，更容易组装到铜表面，表现出较厚的自组装膜和较强的腐蚀抑制作用。
第五，缓蚀剂分子取代基的个数对缓蚀效率有影响。设计并合成了单边吲哚取代的4-((1H-吲哚-3-基)甲基)苯酚(IMP)和双边吲哚取代的4-(二(1H-吲哚-3-基)甲基)苯酚(DIMP)。目标分子在0.5M硫酸水溶液中会通过分子间作用力发生自聚集并吸附到铜表面形成自聚集体保护膜。电化学和表面形貌测试表明自聚集膜对铜有较好的腐蚀抑制能力。接触角测试、吸附模拟、X射线光电子能谱(XPS)分析和理论计算等进一步分析了自聚集体缓蚀剂的动力学作用机制。结果表明，DIMP自聚集体的腐蚀抑制效果要明显优于IMP，这主要是由于双边取代的DIMP比单边的IMP具有更多的自聚集活性位点，会有更强的驱动力来发生自聚集。此外，双边的DIMP给电子能力更强，在铜表面的吸附和组装也更容易，使其自聚集体保护膜表现出较强的缓蚀性能。