苯丙氨酸和酪氨酸缓蚀剂的缓蚀性能

曹 贺, 张 晨, 刘 瑕

(沈阳化工大学 应用化学学院， 辽宁 沈阳 110142)

金属腐蚀是比较常见的一种化学反应，在生活和生产中对经济造成巨大的影响.金属的腐蚀一般分为3种：化学腐蚀、生物化学腐蚀和电化学腐蚀.其中，又以电化学腐蚀现象最为普遍，造成的危害也最为严重[1].添加缓蚀剂是抑制金属腐蚀最经济有效的方法之一.氨基酸因具有绿色环保、价格低廉、来源广泛等优点，被广泛应用于各种腐蚀防护领域[2-6]，并且缓蚀效果显著[7-11].苯丙氨酸和酪氨酸含有苯环及亲水基团，具有一定的缓蚀性能[12-16].本文选取苯丙氨酸和酪氨酸作为缓蚀剂，在0.1 mol/L的硫酸溶液中研究两种氨基酸对碳钢的缓蚀性能，并进一步探讨其吸附方式和缓蚀机理.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

电化学工作站(PAR2273)、红外光谱仪(Nicolet IR-408)、电子天平(ATL-124-1)、恒温加热磁力搅拌器(CL-4).

苯丙氨酸、酪氨酸，均为分析纯.

1.2 实验方法

1.2.1 电极的制备

使用环氧树脂将N80低碳钢(化学成分见表1)固封制成工作电极，暴露面积为1 cm2.依次使用400#、600#、800#金相砂纸对工作电极表面进行打磨，然后酒精脱脂，去离子水冲洗，用硅胶干燥后备用.

表1 N80低碳钢的化学成分

1.2.2 溶液的配制

分别称取0.01 g、0.02 g、0.03 g、0.04 g的苯丙氨酸和酪氨酸溶解于400 mL、0.01 mol/L的H2SO4溶液中，制成0.025、0.050、0.075、0.100 g/L的待测溶液.

1.2.3 电化学测试

采用三电极体系进行电化学实验，以饱和甘汞电极(SCE) 为参比电极，碳棒为辅助电极.选取极化曲线的扫描速率0.333 0 mV/s，扫描腐蚀电位-250～350 mV.测试电化学阻抗的频率范围为10～20 kHz，交流激励信号幅值为5 mV.

2 结果与讨论

2.1 极化曲线和阻抗的测试

2.1.1 极化曲线

N80低碳钢在添加了苯丙氨酸、酪氨酸的0.1 mol·L-1硫酸溶液中的极化曲线如图1、图2所示，电化学参数如表2所示.

图1 N80低碳钢在含有苯丙氨酸的0.1mol/L H2SO4溶液中的极化曲线

图2 N80低碳钢在含有酪氨酸的0.1mol/L H2SO4溶液中的极化曲线

由图1、图2可以看出：在阳极低极化电位下，钢片的溶解主要受电荷传递的过程控制.加入缓蚀剂后，阴阳极的腐蚀电流密度较空白溶液的腐蚀电流密度有所降低，这说明缓蚀剂对阴极阳极的腐蚀反应均有一定地抑制作用.运用Tafel直线外推法对腐蚀电流密度等参数进行测定.缓蚀效率η的计算公式如下：

表2 N80低碳钢在0.1 mol/L硫酸溶液中电化学参数拟合结果

2.1.2 交流阻抗

N80低碳钢在添加了苯丙氨酸、酪氨酸的0.1 mol·L-1硫酸溶液中的交流阻抗如图3、图4所示.

图3 0.1 mol/L硫酸溶液及加入不同质量浓度苯丙氨酸的N80低碳钢的交流阻抗

图4 0.1 mol/L硫酸溶液及加入不同质量浓度酪氨酸的N80低碳钢的交流阻抗

由图3、图4可以看出：阻抗弧随缓蚀剂质量浓度的增加而增大，缓蚀效率和缓蚀性能随之提高，且苯丙氨酸缓蚀剂的缓蚀性能优于酪氨酸.拟合数据列于表3中.缓蚀效率计算公式如下：

η/%=[(Rct-Rct0)/Rct]×100 %

式中:Rct和Rct0分别为添加和未添加缓蚀剂的溶液中的极化电阻.

表3 N80低碳钢在含有不同质量浓度缓蚀剂的0.1mol/L H2SO4的电荷传递电阻和缓蚀效率

由表2、表3可看出：交流阻抗的拟合数据与极化曲线的拟合数据结果基本保持一致，当缓蚀剂质量浓度增加时，缓蚀效率增加，说明氨基酸的加入对N80低碳钢在0.1 mol/L硫酸溶液中的腐蚀具有缓蚀作用，且缓蚀剂的缓蚀效率均随质量浓度的增大而明显增大.这是由于氨基酸分子中的N具有孤对电子，能与含有空d轨道的碳钢样中的铁离子形成配位共价键，在金属表面形成一层薄膜，从而阻挡酸溶液中的H+使其较少地腐蚀碳钢.

2.2 吸附方式

为进一步研究两种缓蚀剂的吸附方式，先假设两种缓蚀剂吸附在N80低碳钢表面的分子吸附规律均符合Langmuir吸附模型，用在15 ℃下根据极化曲线得到的缓蚀效率表示其覆盖度θ并分别代入Temkin、Langmuir和Freundlich吸附等温式进行拟合.Langmuir吸附等温式为：

ρ/θ=1/K+ρ

式中：ρ为缓蚀剂质量浓度；K为Langmuir吸附平衡常数；θ为表面覆盖度.

分别以ρ/θ为纵坐标、质量浓度为横坐标作图，拟合直线，如图5、图6所示.

图5 N80低碳钢在含有不同质量浓度苯丙氨酸的0.1 mol/L硫酸中Langmuir吸附等温线

图6 N80低碳钢在含有不同质量浓度酪氨酸的0.1 mol/L硫酸中Langmuir吸附等温线

由图5、图6可看出：ρ/θ与ρ之间具有良好的线性关系；两种缓蚀剂苯丙氨酸、酪氨酸线性相关系数R分别为0.961 3，0.981 3.这表明两种缓蚀剂对N80低碳钢表面的吸附与Langmuir吸附等温式相一致.证明这两种缓蚀剂的缓蚀机理主要是形成了吸附膜，进一步证明了电化学数据的推断.

3 结 论

(1) 苯丙氨酸和酪氨酸在0.1 mol·L-1硫酸介质中对N80低碳钢都具有较好的缓蚀作用，苯丙氨酸显示出更佳的缓蚀性能.

(2) 缓蚀剂结构中含有苯环有助于提高缓蚀剂的缓蚀性能.

(3) 两种缓蚀剂均符合Langmuir吸附等温式.

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