実験的および理論的研究による、C1018鋼の酸洗用のいくつかの新規有機セレニウムチオ尿素誘導体の腐食軽減特性

Jan 06, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9058 (2023) この記事を引用

447 アクセス

9 オルトメトリック

メトリクスの詳細

2 つの有機セレニウムチオ尿素誘導体、1-(4-(メチルセラニル)フェニル)-3-フェニルチオ尿素 (DS036) および 1-(4-(ベンジルセラニル)フェニル)-3-フェニルチオ尿素 (DS038) が生成され、FTIR および NMR を使用して分類されました (1Hおよび13C）。モル HCl 中の C 鋼腐食防止剤としての上記 2 つの化合物の有効性は、動電位分極 (PD) および電気化学インピーダンス分光法 (EIS) 技術を使用して評価されました。 PD の調査結果では、DS036 と DS038 には混合タイプの機能があることが示されています。 EIS の結果は、線量の増加により C 鋼の分極抵抗が 18.53 から 363.64 および 463.15 Ω cm2 に変化するだけでなく、1.0 mM の DS036 の発生時に二重層静電容量も 710.9 から 49.7 および 20.5 μF cm-2 に変化することを示しています。とDS038をそれぞれ。 1.0 mM の用量では、有機セレンチオ尿素誘導体が 96.65% および 98.54% という最も高い阻害効率を示しました。阻害分子の吸着は鋼基板上でラングミュア等温線に沿って進行した。吸着プロセスの非吸着エネルギーも意図されており、C 鋼界面での化学的吸着と物理的吸着の組み合わせを示しています。 FE-SEM 研究は、OSe ベースの分子阻害剤システムの吸着能力と保護能力を裏付けています。インシリコ計算 (DFT および MC シミュレーション) では、研究対象の有機セレンチオ尿素誘導体と Fe (110) 表面上の腐食性溶液アニオンの間の引力を調査しました。得られた結果は、これらの化合物が適切な防止表面を形成し、腐食速度を制御できることを示しています。

優れた機械的品質により、炭素鋼 (C 鋼) は海洋および石油分野を含むさまざまな分野で幅広い用途に使用される必須の材料となっています1。 C 鋼は、酸性環境、主に工業用酸洗い、酸によるスケール除去、洗浄、油井の酸性化に使用される塩酸で容易に腐食します2。年間の損失コストは数十億ドルに達すると計算されます3。金属の腐食を防ぐために、コーティングや蒸着などの多くの戦略が考案されました 4、5、6、7 が、腐食防止剤の使用は依然として最良かつ最も効率的な戦略の 1 つです 8、9。腐食防止剤は、金属表面への強力な付着能力によって区別されます。抑制剤は腐食を迅速に防止するため、抑制剤を適量添加すると、腐食速度は直ちに低下します10。

有機分子はヘテロ原子 (硫黄、酸素、窒素) などの吸着中心が豊富に含まれているため、水性条件下での軟鋼の効率的な腐食防止剤としてよく利用されます。これにより、阻害剤の費用対効果が高くなります7、11、12。吸着機構によって制御される金属表面と有機層間の相互接触により、金属/溶液界面での陽極腐食反応と陰極腐食反応の速度が大幅に遅くなる可能性があります13、14。電気化学インピーダンス分光法や動電位分極などの電気化学技術は腐食速度を測定できますが、理論シミュレーションは金属と阻害剤の間の相互作用を測定できます15。

有機セレン (OSe) ハイブリッドは、特に材料化学および医薬化学における多様な応用の結果として、最近大きな注目を集めています 16,17。セレン (Se) の前例のない特性と酸化還元特性により、OSe 剤の生化学的および産業的応用の可能性が確保されました 18。 Se の類似体である硫黄、窒素、リンと比較して電気陰性度が低く、サイズが大きいことが、分極率が高く、求核性が高い主な理由です 17。したがって、有機セレニウム (OSe) 化合物は一般に良好な求核試薬であり、潜在的な触媒活性とキレート活性を備えています 17。硫黄とは異なり、Se は半導体であり、光伝導性と光起電性を示すため、太陽電池、ナトリウムイオン電池、光電池、露出計などの材料科学やエレクトロニクスで広く使用されています17。

過去数十年の間に、多くの腐食防止剤が開発され、かなりの防止効果を示してきました。ただし、それらは室温および低酸濃度でのみ十分に機能します8、9、10。したがって、高温および濃酸 (> 15 wt% HCl) などの過酷な条件に耐える抑制剤は、パイプラインの洗浄液や酸性化流体、さらには石油化学産業でも非常に必要とされています。これに関連して、チオ尿素は、陰極反応および陽極反応に影響を与えることにより、さまざまな攻撃性媒体中でのアルミニウム、銅、鉄、亜鉛、およびマグネシウム金属の腐食を遅らせる潜在的な用途を示しています。これらは、2 つの窒素原子と硫黄原子を介して金属テンプレートと自由電子を共有する能力により、潜在的な阻害剤の理想的な吸着サイトとして機能し、水素イオンとの接触表面積を防ぐことで金属を酸腐食から保護します16。一方、OSe 化合物は、Se の外部電子を金属と共有する能力が優れているため、同種の有機硫黄よりも優れた腐食防止剤であると考えられています。残念ながら、OSe 剤の防食効果についてはほとんど議論されておらず、文献ではいくつかの例に限定されています。最近、我々は、模擬コンクリート細孔溶液中の鉄筋用の、さまざまな有機セレノシアネート系 (I および II) およびジセレン化物系 (III および IV) の水溶性 OSe 化合物の腐食防止剤を報告しました 19。さらに、我々は、J55 パイプライン鋼および 6061 アルミニウム合金用の潜在的な腐食防止剤として、いくつかの OSe 結合アントラニル酸ハイブリッド (V、VI、および VII) を開発しました20。さらに、油井の酸性化中の J55 鋼管サンプルの有望な腐食防止剤として OSe ベースのテトラゾール (VIII および IX) も報告しました (図 1)21。

有望な腐食抑制特性を備えた有機セレンハイブリッド。

したがって、チオ尿素と有機セレン化合物の適切な組み合わせにより、全体的な腐食抑制活性が向上すると予想されます。したがって、本研究は、容易な方法および分光法（FTIR、1H NMR、および13C NMR）を使用した有機セレンチオ尿素誘導体の調製と構造研究に焦点を当てました。これに対応して、この研究では、PDP や EIS などのいくつかの電気化学的方法を使用して、酸洗い溶液中での C 鋼腐食の抑制剤として合成された OSe 剤の評価が行われました。さらに、原子レベルと分子レベルの両方での分子反応性構造が、腐食抑制能力を理解するために重要である抑制剤と金属の相互作用を説明するために、DFT 計算によって研究されました。各抑制剤の配向性や構造との関係、抑制剤の金属表面への付着方法などをモンテカルロシミュレーションにより徹底的に解説します。

この作業では、次の組成の炭素鋼を使用します: P (0.046%)、Si (0.35%)、C (0.23%)、Mn (1.42%)、Cr (0.13%)、Ni (0.034%)、Fe (有効面積が約 1 cm2 の電極（残り）を作用電極として使用し、さまざまなグレードの紙やすり（最高 1500 グレード）で引っかき、アセトンで脱脂し、再蒸留水ですすぎ、薄いティッシュペーパーで乾燥させました。実験は、試験した有機セレンチオ尿素化合物 DS036 および DS038 のさまざまな用量の非出現および存在下でモル HCl 溶液中で補完されました。各試験では、成分濃度を 2 × 10-5 M から 1.0 × 10-3 M までオーダーしました。新たに廃棄した溶液を使用した。

融点は、ガレンカンプ装置を使用して摂氏で記録した。 FTIRのスペクトルは、キングファイサル大学のMattson 5000 FTIR分光光度計で記録されました（KBr、ύ cm-1）。１ＨＮＭＲおよび１３Ｃ－ＮＭＲスペクトルは、溶媒としてＴＭＳ内部標準およびＤＭＳＯ－ｄ６を使用し、４００ＭＨｚおよび５００ＭＨｚでＶａｒｉａｎ分光光度計を使用して測定した。溶媒の残留ピークに関して化学シフト (δ) を百万分率で記録しました。化合物 2 ～ 5 は、文献報告に従って合成されました (図 2 を参照) (サポート資料の詳細な実験手順を参照) 22、23、24、25、26、27、28、29。

有機セレン化合物 2 ～ 5、DS036 および DS038 の合成。 (a) セレノシアネート 2 は、アニリン (2.5 mmol)、CH2(CN)2 (1.5 mmol)、SeO2 (3 mmol)、および DMSO (5 mL) から 88% の収率で得られました。 (b) ジセレニド 3 は、セレノシアネート 2 (0.5 mmol)、NaOH (0.5 mmol)、およびエタノール (6 mL) から 82% の収率で合成されました。 (c) セレン化物 4 は、ジセレニド 3 (1 mmol)、ヨウ化メチル (2.2 mmol)、および EtOH (20 mL) から収率 57% で得られました。 (d) セレニド 5 は、ジセレニド 3 (1 mmol)、塩化ベンジル (2.2 mmol)、および EtOH (20 mL) から収率 85% で得られました。 (e) チオ尿素 DS036 は、セレニド 4 (1 mmol)、フェニルイソチオシアネート (1.2 mmol)、および EtOH (10 mL) から 87% の収率で得られました。 (f) チオ尿素 DS038 は、セレニド 5 (1 mmol)、フェニルイソチオシアネート (1.2 mmol)、および EtOH (10 mL) から収率 89% で得られました。

OSe チオ尿素誘導体 DS036 および DS038 は、容易に入手できる化学物質 (アニリン、フェニルイソチオシアネート、SeO2 など) から効率的に合成されました。すべての反応は単純で、古典的で単純な後処理でスムーズに進みました。 OSe チオ尿素誘導体 DS036 および DS038 は、カラムクロマトグラフィーを使用した高度な単離を必要とせずにエタノール中で効率的に再結晶するため、中程度から高収率 (57 ～ 89%) で高純度で得られました。さらに、DS036 と DS038 は異なるプロトンアクセプター中心 (窒素、硫黄、Se など) を持っており、これが HCl 溶液中での溶解度が高い理由である可能性があります。実際、これらはアセトン、DMF、DMSO などのさまざまな有機溶媒にも容易に溶けます。

興味深いことに、多くの有機セレン反応は水中でより速く進行すると報告されているため、DS036 および DS038 の合成は、潜在的な阻害剤として確立されれば、将来グリーン条件下でさらに研究する価値があります。

有機セレン化物４または５（１ミリモル）のエタノール（１０ｍｌ）溶液に、フェニルイソチオシアネート（１．２ミリモル）を加え、混合物を６時間還流した。形成された沈殿を濾過し、エタノールおよび水で洗浄した。チオ尿素誘導体はエタノールから再結晶され、十分な純度で得られたため、さらに精製する必要はありませんでした。

化合物ＤＳ０３６は、メチル４−（メチルセラニル）アニリン（４）（１ｍｍｏｌ、１８７ｍｇ）およびフェニルイソチオシアネート（１．２ｍｍｏｌ、１６２ｍｇ）から合成した。反応をＴＬＣ（ＥｔＯＡｃ／ヘキサン１：２；Ｒｆ＝０．２５）で追跡し、白色固体として収率８７％（２８０．１ｍｇ）で単離した。化合物 DS036 はエタノールから白色結晶として再結晶され、MP は 161 ～ 162 °C でした。 IR (FT-IR、cm-1): 3199、3025、3001、1685、1599、1522、1449; 1H NMR (400 MHz、DMSO) δ 9.80 (d、J = 3.9 Hz、2H、2NH)、7.51 (d、J = 7.8 Hz、2H、Ar–H)、7.46–7.33 (m、6H、Ar–H) )、7.15 (t、J = 7.3 Hz、1H、Ar–H)、2.36 (s、3H、SeCH3)。１３ＣＮＭＲ（１０１ＭＨｚ、ＤＭＳＯ）δ１８０．０３、１３９．９０、１３８．１３、１３０．３７、１２８．９４、１２７．２４、１２５．０２、１２４．９５、１２４．１５、７．３８； MS (ESI): m/z = 実測値 345.0 (M+ + Na)、321 (M+–H)、323 (M+ + H)。計算した。 322.0

化合物ＤＳ０３８は、４−（ベンジルセラニル）アニリン（５）（１ｍｍｏｌ、２６３ｍｇ）およびフェニルイソチオシアネート（１．２ｍｍｏｌ、１６２ｍｇ）から合成した。反応をＴＬＣ（ＥｔＯＡｃ／ヘキサン１：２；Ｒｆ＝０．２５）で追跡し、白色固体として収率８９％（３５４ｍｇ）で単離した。化合物 DS038 はエタノールから灰色の結晶として再結晶され、MP は 156 ～ 158 °C でした。 IR (FT-IR、cm-1): 3198、3022、3000、1599、1588、1522、1449; 1H NMR (400 MHz、DMSO) δ 9.84 (s、2H、2NH)、7.52–7.41 (m、6H、Ar–H)、7.35 (t、J = 7.8 Hz、2H、Ar–H)、7.31–7.25 (m、4H、Ar–H)、7.21 (td、J = 5.6、2.4 Hz、1H、Ar–H)、7.14 (dd、J = 15.9、8.5 Hz、1H、Ar–H)、4.22 (s、 2H、SeCH2）。 13C NMR (101 MHz、DMSO) δ 179.92、139.84、139.25、139.07、132.86、129.28、128.95、128.82、127.24、125.69、124.98、124.51、124.14 、31.43; MS (ESI): m/z = 実測値 421.0 (M+ + Na)、397 (M+-H)、399 (M+ + H)。計算した。 398.04。

EIS および PDP 実験で使用された炭素鋼サンプル。すべての実験は、298 K で Gamry ポテンショスタット/ガルバノスタット/ZRA (Reference 600+) 電気化学ワークステーションに接続された電気化学セル 3 電極システムを利用して実行されました。作用電極は炭素鋼でできていました。対極は白金シート、参照電極は銀/塩化銀(Ag/AgCl)を使用しました。 EIS 試験は、0.1 Hz ～ 100 kHz の周波数範囲、AC 信号振幅 10 mV、開回路電位 (EOCP) の定電位環境で実施されました。最適化された EIS 応答は、Z-view ソフトウェアバージョン 3.4 を使用してフィッティングされました。 EIS の最適化に続いて、PDP 測定は同じ最適化された条件下で行われ、電位は EOCP で 1.0 mV s-1 の速度で、主に EOCP に対して ± 250.0 mV で掃引されました。 LPR 腐食速度試験の手順は、以前の研究で定義された手順と同様でした 10。実験の各実行について、3 つの重複した読み取り値が記録されました。

クラスター計算を実行するために、大規模密度汎関数理論 (DFT) 計算の実装を目的とした Materials Studio パッケージ 31 の DMOL3 プログラム 30 を使用しました。 DFT セミコア擬似脚 (DSPP) の計算は、二重数値基底関数セットと偏光汎関数理論 (DNP) を使用して行われました。 6-31G ガウス基底セットと DNP 基底セットは同等の品質です 32,33。一般化勾配近似 (GGA) に基づく RPBE 汎関数 34 は現在最良の交換相関汎関数 35 であり、電子交換と相関の影響を説明するために使用されます。幾何学的最適化を実行する際には、対称性の制限はありませんでした。

Fe (110) の外部でモンテカルロ実験を行うことにより、吸着ロケーターは、MC シミュレーションに適した有機セレン塩基チオ尿素誘導体のプロトン化形態の適切な吸着形成を明らかにしました。チオ尿素誘導体の粒子エネルギーは、Forcite 古典シミュレーションエンジンを使用して改善されました 37。これは、有機セレニウム誘導体の阻害能力を計算するために行われました。有機セレニウム誘導体、HCl、および外部の Fe (110) はすべて、24.82°A × 24.82°A および 38.24°A の寸法のシミュレートされたボックス内の周期境界調整内で吸着されました。力場を用いたユニバーサルシミュレーション研究は、Fe(110)の表面上の有機セレンベースのチオ尿素誘導体の吸着性能をシミュレートするために実行されました。

1-(4-(メチルセラニル)フェニル)-3-フェニルチオ尿素 (DS036) および 1-(4-(ベンジルセラニル)フェニル)-3-フェニルチオ尿素 (DS038) は、フェニルイソチオシアネートと 4-(それぞれ、メチルセラニル）アニリン（4）と4-（ベンジルセラニル）アニリン（5）です（図2）。

図 3 のターフェル分極プロットに見られるように、腐食防止剤 DS036 および DS038 を添加した後、腐食電流 (jcor) は大幅に減少し、腐食電位 (Ecor) も同様に負または正の方向に著しく変化しました。阻害されていない図では、DS036 および DS038 濃度 0.002 mM の分極曲線に加えて、残りのアノード面積曲線の形状が非常に重要です。ターフェル曲線では、1.0 mM の濃度で分極曲線の傾きが急速に増加します。分極曲線の肩は、媒体中の活性成分の吸着の複雑さと脱着経路、およびアノードとカソードの反応機構を妨げることに関連しています38。すべての分極曲線のカソード領域は非常に類似した形状をしており、OSe 誘導体 DS036 および DS038 の添加が溶存酸素還元の反応機構に影響を及ぼさないことが示されています。 DS036 および DS038 の線量が上昇するにつれて、カソード領域の jcor は定期的に低下します。これは、C 鋼表面上の DS036 および DS038 によって吸着されたこのバリア層が、金属界面上の O2 の効率的な還元中心を減少させる可能性があることを示しています。 DS036 および DS038 の線量が急増すると、より厚い保護層が発達し、酸素還元の活性中心が減少し、その結果 jcor が低下します。

異なる濃度の OSe ベースのチオ尿素化合物を使用しない場合と使用する場合のモル HCl 溶液中の C 鋼の PDP プロット (a) DS036 および (b) DS038。

DS036 および DS038 の濃度が低い (0.02 mM) と、C 鋼電極の腐食電流は徐々に減少しました。これは、現時点では少数の DS036 および DS038 化合物だけが C 鋼表面に付着していることを示しています。わずかな腐食抑制効果はありますが、C 鋼アノード金属溶解の反応メカニズムを変えることは許容できません。この挙動は、後述する EIS 研究における C 鋼表面上の拡散膜の発生と一致します。 DS036 および DS038 の用量が 0.50 mM を超えると、培地中に十分な DS036 および DS038 分子が存在し、C 鋼の表面により緻密な保護コーティングを形成し、C 鋼の劣化を防ぎます。

DS036 および DS038 を含むすべての分極曲線のカソードおよびアノード電流は低下する傾向があり、これらの分子が C 鋼表面のカソードおよびアノード領域への応答をブロックしていることを示しています。結果として、これらの分子は C 鋼用の混合腐食防止剤となります。

ターフェル外挿法を使用して分極曲線データをフィッティングする際の誤差を減らすために、分極曲線のアノード領域はフィッティングに関与しません。これは、陽極領域の C 鋼表面の鉄がある程度溶解し、金属表面が比較的粗くなるためです39。 jcor 値は、カソード領域の分極曲線を使用してフィッティングされます。適切なパラメーターは、Ecor、jcor、βc、および βa (カソードおよびアノードのターフェル勾配) を含む表 1 に示されています。ターフェル分極プロットからの阻害効率 (ηi/%) は、次の式 40 によって意図されています。

このうち、jcor,0 と jcor,i は、それぞれ DS036 分子と DS038 分子を含まないブランクと含むブランクの C 鋼電極の腐食電流密度です。表 1 からわかるように、DS036 および DS038 の用量が急増すると、C 鋼の jcor も減少し、ηi/% が徐々に増加します。 DS036およびDS038の用量が0.002mMに達すると、DS036およびDS038のηi/%は有意に改善され、ηi/%はそれぞれ42.33および47.53%に達した。 DS036 および DS038 の用量が 1.0 mM に達すると、jcor は 27.52 および 11.99 μA/cm2 となり、ηi/% はそれぞれ 96.65 および 98.54% に達します。結果はEISの結果とかなり一致しています。

EIS は、C 鋼に対する DS036 および DS038 分子の腐食抑制のメカニズムをさらに調べるために実行されました。 298 K でさまざまな濃度の DS036 および DS038 を使用した場合と使用した場合のモル HCl に C 鋼試験片を 60 分間浸漬した後、OCP は安定状態に達しました。これに基づいて、298 K での C 鋼電極のナイキストおよびボード線図が得られます。一定の OCP が得られ、図 1 と 2 に示されています。図 4 と図 5 は、それぞれナイキストモジュールとボードモジュールで得られた EIS 結果を示しています。この図は、すべてのインピーダンススペクトルが単一の容量性ループを持っていることを明確に示しています。これは、電荷移動プロセスが抑制剤の有無にかかわらずモル HCl 中での C 鋼の腐食の制御に主に関与しており、二重層の性能と定期的に関連していることを示しています 41。さらに、これらの図はテストしたすべての濃度で同一であり、腐食メカニズムが変化していないことを示しています42。界面インピーダンスの周波数分散も、これらのナイキストグラフが完全な半円ではないという事実の原因である可能性があります43。化学的不均一性、表面の粗さ、および C 鋼表面上の阻害分子の吸着 - 脱着プロセスはすべて、この現象に寄与します 44。さらに、阻害剤 DS036 および DS038 の存在における半円の直径は、モル HCl (ブランク溶液) で観察されたものよりも大きく、阻害剤の用量が増加するにつれて大きくなります。これは、基板上の阻害剤化合物の表面被覆率の拡大に関連している可能性があります。 Cスチールインターフェース。

ブランクのモル HCl 溶液とさまざまな濃度の (A) DS036 および (B) DS038 を添加した、298 K での C 鋼電極のナイキストプロット。

ブランクのモル HCl 溶液とさまざまな濃度の (A) DS036 および (B) DS038 を添加した、298 K での C 鋼電極のボード線図。

図 5 は、OCP でのさまざまな阻害剤用量を使用した場合と使用しない場合の、モル HCl に浸漬した C 鋼電極の適切なボードインピーダンスモジュールを示しています。ボード線図における低周波数での絶対インピーダンスの増加は、阻害剤濃度の増加に伴う保護の向上を裏付けています 43。絶対インピーダンスの増加によって示されるように、1.0 M HCl 中の DS036 および DS038 阻害剤の濃度は増加します。これは、より多くの抑制剤分子がより高い濃度で C 鋼表面に吸着されるため、優れた抑制作用を示しています 45。

図6は、HClに浸漬した鋼片について測定したナイキスト線図(A、B)とボード線図(C、D)(黒点)と、抑制されたシステムと抑制されていないシステムのシミュレーション(赤線)の比較を示しています。電気化学等価回路 (EEC) は、非抑制電極 (E) および抑制電極 (F) のデータのフィッティングに使用されました。ここで、Rs は電解質抵抗、CPE (Y0, alpha) は定位相要素、Rp は表します。は分極抵抗（Rp＝Rct（電荷移動抵抗）＋Rf（膜抵抗））に加え、膜容量（Cads）と阻害系の場合は阻害剤抵抗（Rads）を表します。

HCl に浸漬した鋼片で測定されたナイキスト線図 (A、B) とボード線図 (C、D) (黒点) と、抑制されたシステムと抑制されていないシステムのシミュレーション結果 (赤線) の比較。 EEC は、非阻害電極 (E) と阻害電極 (F) のデータのフィッティングに使用されます。

CPE の要素は、不純物、表面粗さ、粒界、変位、添加剤の吸着、多孔質膜の発達などに起因する表面不均一性と一致する、静電容量の半円状の凹みを明らかにするために利用されます。インピーダンス CPE 関数は次のような特徴があります。式 46:

ここで、j は虚数 (j2 = −1) を表し、Q は CPE の大きさを表し、ω は角周波数を表します。 α は偏差制限 (−1 ≤ α ≤ + 1) を典型的に表しており、位相シフトの重要性を持っています。 CPE は、α = 0 の場合は純粋な抵抗、α = + 1 の場合は純粋なコンデンサ、α = −147 の場合はインダクタを示します。さらに、次の式を使用して、CPE48 を備えた回路の二重層静電容量 Cdl を取得しました。

ここで、ωmax は EIS 範囲の虚数部における最大周波数値です。 DS036 および DS038 の n、Rs、Rp、Cdl、Y0、ηE/% (阻害容量) などの電気化学パラメーター値を EIS から取得し、表 2 に記録しました。DS036 および DS038 の発生では、n の値がは 0.792 ～ 0.884 の範囲にあることがわかり、これらの値は阻害されていない溶液 (0.717) よりも大きくなります。抑制剤を含むシステムのより高い n 値は、DS036 および DS038 分子が C 鋼表面上に保護膜を生成し、それらの均一性が進行していることを示しています 10。阻害剤の濃度が上昇すると、Rp 値は急激に上昇し、Cdl 値は減少します。最高の Rp (DS036 では 363.64 Ω cm2、DS038 では 463.15 Ω cm2) は最適用量 (1.0 mM) で得られています。阻害剤の吸着により Rp 値が上昇し、露出表面の減少が示唆されます。しかし、Cdlの低下は、局所誘電率の低下および/または電気二重層の厚さの増加によって引き起こされる可能性があり、DS036およびDS038阻害剤が金属/媒体界面での吸着によって作用することを示唆しています。。これらの OSe ベースの誘導体の濃度が 1.0 mM を超えると、阻害効率の値は DS036 では 94.9%、DS038 では 95.9% に上昇します。これらの発見は、調製した化合物が HCl 溶液中で効果的な C 鋼抑制性能を有し、ηE/% が DS038 > DS036 の順序に従うことを再度示しています。表 1 に示すように、電気化学的測定によって決定された阻害効率は、PDP によって決定された阻害効率と本質的に一致していることに注意することが重要です。

異なる抑制剤用量の非存在下および存在下での HCl 媒体中での C 鋼腐食に対する温度の影響を、EIS 法を使用して温度範囲 (298 〜 328 K) で調べました。図 7 は、さまざまな濃度での (A) DS036 および (B) DS038 における阻害効率と温度の関係を示しています。 DS036 の阻害効率は、2.0 × 10−5 および 1.0 × 10−3 M の存在下で、それぞれ 298 K での 42.3 および 96.6% から、328 K での 39.1 および 98.2% に変化しました（図 7A）。一方、DS038 化合物の存在下では、2.0 × 10−5 および 1.0 × 10−3 M の存在下で阻害効率は 298 K での 47.5 および 98.54% から 328 K での 42.2 および 99.1% に変化しました。それぞれ、それぞれ（図７Ｂ）。その結果、DS036 および DS038 抑制剤システムは、高温でも金属界面に吸着層を生成することで C 鋼を腐食から保護する保護性能を維持します 21。腐食防止剤の存在下と非存在下での活性化エネルギー (Ea) を比較することにより、腐食防止剤の吸着メカニズムに関するいくつかの重要な詳細を知ることができます。有機セレンチオ尿素誘導体の存在下での Ea 値は、阻害剤の濃度が増加するにつれて増加することが見られます。データは、DS036 および DS038 の存在下で分析した腐食性媒体中で調査した電極の Ea 値 (DS036 および DS038 でそれぞれ 35.25 および 40.65) が、阻害されていない媒体中の Ea 値 (12.97 kJ/mol) よりも大きいことを示しています。その結果、抑制剤の存在により、試験対象の電極の腐食の活性化エネルギー障壁が上昇し、腐食速度が低下します。 DS036 および DS038 の存在下での腐食活性化エネルギーの増加は、一般に物理的性質の保護吸着層の発達に起因するという結論を導き出すことができます。阻害剤系は低温では物理的に吸着されますが、温度が上昇すると化学吸着が有利になります 21。

異なる濃度での (A) DS036 および (B) DS038 における阻害効率と温度の関係。

吸着防止剤フィルムの経時的な安定性を調べるために、腐食速度に対する暴露時間の影響を研究しました。 1.0 × 10-3 M の DS036 および DS038 を含む 1.0 M ブランク HCl 中での C 鋼の、25 °C での持続時間に伴う腐食速度の変化を図 8 に示します。腐食性溶液に 1 時間浸漬した後、この時点でEcorが安定になったため、有機セレンチオ尿素化合物が導入されました。 CR は、ブランク培地では 2.62 ～ 4.76 mm/年の範囲であることが判明しました。図 8 に示すように、C 鋼の CR はブランク媒体への浸漬時間とともに着実に増加します。C 鋼の CR は、合成有機セレンチオ尿素化合物の添加により明らかに減少しました。 1.0 × 10-3 M の DS036 および DS038 の存在下では、20 時間の浸漬後、CR はそれぞれ 4.62 から 0.21 および 0.06 mm/年に減少しました。金属表面に吸着して保護層を形成することが証明されている可能性があります。 2 ～ 20 時間の曝露中、DS036 および DS038 阻害 HCl の CR は実質的に一定であり、DS036 および DS038 の吸着膜が安定であり、時間の経過とともに破壊されないことを示しています。

25 °C、1.0 × 10–3 M の DS036 および DS038 を含む 1.0 M ブランク HCl 中での C 鋼の腐食速度と持続時間の変化。

抑制効果が主に金属と溶液の接触における吸着によって引き起こされると仮定すると、吸着等温線を決定することができます。吸着等温線は、金属表面への阻害剤の吸着に関する基本的な詳細を与えることができます。等温線を導出するには、阻害剤濃度の関数としての表面被覆率の値 (θ) を確認する必要があります。表面被覆率 (θ) 値は、PDP 研究から阻害効率/100 の比によって簡単に測定できます。したがって、どの等温線が C 鋼表面への阻害剤の吸着を最もよく表すかを確立するには、経験的研究が必要です。ラングミュア、フルムキン、フロイントリヒ、テムキン等温線などの多数の吸着モデルが特徴付けられました。試した吸着等温線のさまざまなモデルの中で、相関係数 (R2) を利用して最も適切なモデルが選択されました (表 S1)。ラングミュア等温線が実験結果に最も適合していることが判明し、すべての相関係数値が 1 に非常に近づき、1.0 M HCl 中の C 鋼への OSe ベースの化合物の吸着プロセスがラングミュア等温線モデルに従っていることが確認されました。ラングミュアの等温線モデルは、次の式 49 で記述されます。

ここで、Kads と Cinh は吸着平衡定数と阻害剤のモル濃度です。図 9 は、対数 (Cinh/θ 対 Cinh) のプロットの直線を示しています。線形回帰係数 (R2) は、DS036 および DS038 阻害剤の 0.999 にほぼ等しく、これは、試験した化合物が 1.0 M HCl 溶液中での吸着中にラングミュアの吸着等温線に従うことを示しています。吸着自由エネルギー (\(\Delta G_{ads}^{0}\)) は、次の式 50,51 で Kads と相関関係があります。

ここで、値 55.5 は H2O のモル濃度です。 Kads と \(\Delta G_{ads}^{0}\) の値は 298 K で計算されました。 Kads 値は、DS036 阻害剤では 9.91 × 103 M−1、DS038 阻害剤では 10.02 × 103 M−1 であることがわかりました。さらに、DS036 および DS038 阻害剤の \(\Delta G_{ads}^{0}\) 値は - 32.74 および - 32.81 kJ mol−1 であることがわかりました。C 鋼表面の吸着層の不安定性と吸着プロセスの自発性はどちらも \(\Delta G_{ads}^{0}\) の負の値によって確立されました。さらに、DS038 阻害剤の高い \(\Delta G_{ads}^{0}\) 値は、DS036 分子よりも 1.0 M HCl 中で C 鋼表面に強く吸着されることを示しました。これは、電気化学的方法を使用して発見された阻害効率値の範囲とよく一致しています。 \(\Delta G_{ads}^{0}\) の値が − 20 kJ mol−1 以下のオーダーの場合は物理吸着を示唆し、− 40 kJ mol−1 よりも負の値には共有または物理吸着が含まれることは周知の事実です。電子が阻害剤分子から鋼表面に移動して、配位結合 (化学吸着) を形成します。この報告書では、-20 ～ -40 kJ mol-1 の範囲の \(\Delta G_{ads}^{0}\) の値は、C 鋼界面での化学的および物理的吸着の組み合わせを明らかに示しています 52。

298 K、モル HCl 中での C 鋼表面上の阻害剤 (DS036 および DS038) のラングミュア等温線の吸着モデル。

ブランク HCl (A) および 1.0×103 M DS038 に 20 時間暴露した後に行われた C 鋼の FE-SEM 分析を図 10A、B に示します。金属表面はひどく腐食および劣化しており、いくつかのピットと深い空洞が見られました。これは、DS038阻害剤の非存在下で取得されたFE-SEM画像の詳細な検査によって証明される(図10A)。 DS038阻害剤が存在する場合、金属サンプルは、ブランク媒体に浸漬されたC鋼表面と比較して、優れた形態および滑らかな界面を有する(図10B)。これによると、DS038 阻害剤を使用すると、C 鋼の溶解が防止され、腐食速度が遅くなります。これは、効果的な腐食抑制を示しています。

ブランクの 1.0 M HCl (A) および 1.0 × 10−3 M DS038 化合物を含む C 鋼の 20 時間浸漬後の FE-SEM 写真。

図 11 は、有機セレンベースのチオ尿素誘導体の HOMO および LUMO 分布を含む最適化された構造を示しています。表 3 は、対応する量子化学記述子を示しています。フロンティア軌道理論によれば、HOMO および LUMO エネルギー 53,54 は、阻害剤分子と金属外部との界面におけるドナーまたはアクセプターの相互作用を説明します。したがって、EHOMO と ELUMO のそれぞれ高い測定値と低い測定値は、調査対象の化合物の存在によって腐食の禁止が強化されていることを示しています。表3では、DS038はDS036（-5.33eV）と比較して-4.56eVという高いHOMO値を持ちますが、プロトン化された形ではDS038とDS036でそれぞれ5.06eVと5.19eVでした。図 11 に示すように、DS036 の HOMO レベルは、セロキシ、チオール、イミン、およびフェニル環の 1 つに位置しており、窒素、Se、硫黄原子が金属外部への求電子攻撃に好都合な位置であることを示唆しています。。 DS038 の HOMO レベルは、セロキシ、チオール、イミンの位置で検出され、窒素、セレン、硫黄原子が金属外部への求電子攻撃に好ましい位置であることを示唆しています。これにより、DS036 および DS038 誘導体の鋼表面への吸着によって引き起こされる禁止の効力が増大する可能性があります。対照的に、DS038 の ELUMO 値は - 1.61 eV であり (表 3)、DS036 の - 1.66 eV よりも小さかった。阻害剤間の値の小さな違いは、阻害剤の低い阻害活性の差を示しており、DS038 ではより優れた阻害効率が観察されたことが観察されます。これらの結果は、プロトン化種は非プロトン化分子よりも C 鋼の表面に吸着する傾向が強いことを示しています。

DS036 および DS038 の最適化された分子構造、HOMO、および LUMO。

エネルギーギャップ (ΔE)、HOMO、LUMO、グローバル硬度 (η)、柔らかさ (σ)、電気陰性度 (χ)、および電子移動率 (ΔN) などの重要なパラメーターは、式 (1) からの DFT 計算から決定されました。 6–1138,55。

ここで、Fe の電気陰性度は 4.82 eV であり、電子移動 (ΔN) の計算に適用されました。

エネルギーギャップ (ΔE) は、有機セレン誘導体の腐食抑制能力を高める上で重要な要素です。より優れた阻害効力は、ΔE 値が低いほど示唆されました 56。表 3 は、DS038 の ΔE 値が DS036 (2.75 eV) および 3.67 eV よりも低いことを示しています。これは、C 鋼の外側での DS038 の吸着傾向がより大きいことを示唆しています。 DS038 の電気陰性度 (χ) の値が低いことから、DS038 が DS03657 よりも金属に電子を供給する能力が大きいことが明らかになりました。化合物の安定性と反応性を使用して、その化合物がどの程度硬いか柔らかいかを判断できます。吸着プロセス中、硬い化学物質よりも反応性の高い柔らかい化学物質は、C 鋼サンプルに電子を容易に供給します。結果として、それらは腐食防止剤として効果的に機能します58。表 3 に示すように、DS038 の値はより大きく (0.68)、DS036 の値はより大きくなります (1.84)。これは、DS038 が被験物質に電子を供給するのが簡単であることを実証しました。その結果、高い効力が発現しました。

ΔN 値は、粒子が表面に電子を与える傾向を示しています。 ΔN 値が高いことは、阻害剤の電子供与能力が高いことを示します。 ΔN 3.6 が存在すると、強い電子寄与能により禁止性能が向上します59。決定された N の値を表 3 に示します。DS038 の ΔN 値が DS036 の (0.36) より大きい (0.60) という事実は、DS038 が研究中のサンプルに電子を寄与する可能性が高いことを示唆しています。

腐食の制限をサポートする強力な側面は、双極子モーメント60です。変形エネルギーの向上と鋼表面への抑制剤の吸着の向上は、両方とも双極子モーメントの増加によって示されます。したがって、双極子モーメントが増加すると、禁止の有効性が高まります61。表 3 は、DS038 の双極子モーメント (4.15 デバイ) が DS036 (3.51 デバイ) よりも大きいのに対し、プロトン化型の場合、DS038 と DS036 では 4.48、3.71 デバイであることを示しています。これは、DS038 が C 鋼表面に吸着する傾向が増加し、その結果、禁止効力が増加したことを示しています。双極子間相互作用は、C 鋼表面と非プロトン化形態との間の相互作用よりも、プロトン化形態と C 鋼界面の間の相互作用の方が優勢であることを示しており、この値はプロトン化分子の方が非プロトン化分子よりも高くなります。 -プロトン化された分子。上で計算された量子特性に基づいて、プロトン化有機セレニウム塩基チオ尿素誘導体形態は、非プロトン化有機セレニウム塩基チオ尿素誘導体形態よりも耐腐食性においてより効果的であると判断できる。

有機セレンベースのチオ尿素誘導体と C 鋼表面との相互作用および吸着機構は、MC シミュレーションを使用して視覚化されました。鋼サンプル上の最も妥当な有機セレン誘導体の吸着配置を図 12 に示します。吸着ロケーターモジュールは、滑らかな配置を表示し、最大の表面被覆率で吸着の改善を推奨するもので、これを達成する役割を果たしました。さらに、表 4 はモンテカルロシミュレーションの結果をまとめたものです。表 4 は、緩和吸着化合物のスティッフ吸着エネルギー、緩和吸着化合物の変形エネルギー、および緩和吸着化合物の吸着エネルギーを示しています 62、63、64、65、66、67。 DS036 と比較して、DS038 は吸着エネルギーに関してより大きな負の値を示しました (- 513.41 kcal mol-1) (- 407.22 kcal mol-1)。これは、DS038 が DS036 よりも C 鋼表面に強く付着し、C 鋼の腐食を抑制する安定した吸着バリアを形成し、DS036 よりも DS038 の方が強い禁止傾向があることを示しました。

吸着ロケーターモジュールは、Fe (110) 基板上での DS036 および DS038 の吸着に最適な最大限の立体構造を達成しました。

吸着質のエネルギーを無視した場合、dEads/dNi の数値は金属吸着質の構造のエネルギーを理解するのに役立ちます。 DS036 (44.78 kcal mol-1) と比較して DS038 (55.42 kcal mol-1) の方が高い dEads/dNi 値は、DS038 が DS036 よりも大きな吸着を持っていることを示しています。 DS038 および DS036 が HCl よりも高い吸着親和性を有することをさらに示すのは、HCl 分子の dEads/dNi 比が -3.06 kcal mol-1 であるという事実です。したがって、DS038 と DS036 は信頼性の高い保護バリアを形成し、Fe 表面に取り消し不能に吸着されました。 dEads/dNi の数値は、吸着物のエネルギーを無視した場合の金属吸着物の配置のエネルギーを明確にするのに役立ちます。 DS036 (-44.78 kcal mol-1) と比較して DS038 (-55.42 kcal mol-1) の dEads/dNi 値が高いことからわかるように、DS038 は DS036 よりも大きな吸着を示しました。さらに、HCl 分子の dEads/dNi 値が -3.06 kcal mol-1 であるという事実は、DS038 と DS036 が HCl よりも大きな吸着親和性を持っていることを示しています。したがって、DS038 と DS036 は固体の保護バリアを形成し、Fe 表面に確実に吸着されました。これらの結果が上記の DFT および経験的結果と一致していることに注目するのは興味深いことです。

OSe ベースの誘導体が合成され、酸性酸洗い溶液における C 鋼の緩和性能が理論的特性と実験的特性の両方から検査されました。得られた結果は、これらの化合物が適切な防止表面を形成し、腐食速度を制御できることを示しています。阻害効率は、1.0 mM DS036 および DS038 の存在下でそれぞれ 96.65% および 98.54% です。 PD データによれば、合成された OSe ベースの化合物は混合型阻害剤であり、阻害剤の用量が増加するにつれて阻害効率が増加しました。最高の Rp (DS036 では 363.64 Ω cm2、DS038 では 463.15 Ω cm2) は、最適用量 (1.0 mM) で見出されています。これらの分子は、C 鋼の表面上で化学吸着と物理吸着を組み合わせ、ラングミュア吸着等温線に従いました。浸漬時間と温度の影響により、合成された両方の OSe ベースの化合物の性能がさらに強化されました。 FE-SEM 分析により、OSe ベースの分子の添加後により滑らかな電極表面が明らかになり、攻撃的なイオンとの接触から鋼基板を保護するためのシールド膜が形成されたことが証明されました。 MC シミュレーションと DFT 計算の結果は、実験結果とよく一致しました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。

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著者らは、サウジアラビアのキングファイサル大学大学院研究および科学研究担当副学長である科学研究部長の、年次資金トラック（GRANT 3503）に基づく財政的支援に感謝します。著者らは、研究グループ番号RG-21-09-80を通じてこの研究に資金を提供してくださったイマーム・モハメッド・イブン・サウジ・イスラム大学の科学研究部長に感謝の意を表します。

この研究は、サウジアラビア科学研究部長（GRANT3,503）から資金提供を受けました。

キングファイサル大学理学部化学科、31982、アルハサ、サウジアラビア

ハニー・M・アブド・エル・ラティーフ、マイ・M・カラフ、モハメド・ゴーダ、サード・シャーバン

ソハグ大学理学部化学科、ソハグ、82524、エジプト

ハニー・M・アブド・エル・ラティーフ＆マイ・M・カラフ

イマーム・モハマド・イブン・サウード・イスラム大学（IMSIU）理学部化学科、11623、リヤド、サウジアラビア王国

TA ユセフ、サイード・H・ケナウィ、モルタガ・M・アブ＝クリシャ

エジプト法務省医事法務機関マンスーラ研究所法医学有毒麻薬部、マンスーラ、エジプト

TA ユセフ

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サイード・H・ケナウィ

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モルタガ・M・アブ＝クリシャ

マルティン・ルーサー大学ハレ・ヴィッテンベルク化学研究所、ハレ、ドイツ

モハメド・アラサール

カイロ大学理学部化学科、ギザ、エジプト

モハメド・アラサール

マンスーラ大学理学部化学科、マンスーラ、35516、エジプト

サード・シャーバン

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HMAE: 概念化、監督、調査、方法論、リソース、形式的な分析、データのキュレーション、資金調達、原案の執筆、執筆のレビューと編集。 MMK: 形式的な分析、データのキュレーション、資金調達、原案の執筆、執筆のレビューと編集。 MG：資金調達、執筆～原案、執筆～レビュー＆編集。 TAY: 概念化、調査、方法論、リソース、形式的な分析、データのキュレーション、資金調達、原案の執筆、執筆のレビューと編集。 SHK: 執筆 - 原案、執筆 - レビューおよび編集。 MMA-K.：執筆-原案、執筆-レビュー＆編集。 MA: 執筆 - 原案、執筆 - レビューおよび編集。 SS: 概念化、調査、方法論、リソース、形式的な分析、データのキュレーション、資金の獲得、原案の執筆、執筆のレビューと編集。共著者全員がデータ収集、最終原稿のレビューと承認に貢献しました。

Hany M. Abd El-Lateef または Saad Shaaban との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Abd El-Lateef、HM、Khalaf、MM、Gouda、M. 他実験的および理論的研究による、C1018鋼の酸洗用のいくつかの新規有機セレニウムチオ尿素誘導体の腐食軽減特性。 Sci Rep 13、9058 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36222-0

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受信日: 2023 年 2 月 1 日

受理日: 2023 年 5 月 31 日

公開日: 2023 年 6 月 3 日

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