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·1010· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 36 卷

表 4 PBA 的前线轨道能量值
Table 4 Frontier orbital energies of PBA
E HOMO/eV E LUMO/eV (E LUMO–E HOMOFe)/eV (E LUMOFe–E HOMO)/eV ΔE/%
–11.014 –9.996 2.186 10.854 1.018

(E LUMO –E HOMOFe )，这表明 PBA 分子接受电子与 Fe
作用的能力要大于提供电子与 Fe 作用的能力。

a—未腐蚀钢片；b—未添加 PBA 腐蚀后；c—添加 PBA 腐蚀后
E HOMO 和 E LUMO 的差值( E ) 等于 1.018 eV，证明 PBA
图 8 Q235 钢的 AFM 三维形貌图
Fig. 8 AFM images of Q235 carbon steel samples 分子活性很高，与金属表面作用强烈，能大大抑制
腐蚀发生。由图 10 可知，HOMO 主要集中在苯环
2.6 量子化学计算
上，暗示 PBA 分子的供电子活性中心在苯环的 π 键
缓蚀剂分子的量子化学参数是分子内在化学性
质的反映，直接影响分子在金属表面的吸附能力 [22] 。 上；而 LUMO 主要分布在杂原子和杂环处，可作为
良好的电子接受体。前线轨道计算结果表明，PBA
因此，对 PBA 进行了量子化学计算以探究其缓蚀机 的活性区域围绕在苯环和杂环上，这将使其拥有多
理。根据前线分子轨道理论 [23] ，前线轨道间的相互
个吸附中心，从而使 PBA 在 Q235 钢表面形成的保
作用使得电子跃迁，反应物的反应主要发生在
护膜更加致密。
HOMO（最高占据轨道）和 LUMO（最低空轨道）
上。其中，E HOMO 是衡量分子提供电子能力的指标， 3 结论
其值越高，分子越有可能提供电子给低能级或有空
轨道的电子受体；E LUMO 是衡量分子接受电子能力 （1）成功合成了一种多环结构的双子季铵盐
的指标，其值越低，分子越容易接受电子，一个分 PBA，其对 1 mol/L 盐酸中的 Q235 钢具有优异的缓
子中 E HOMO 和 E LUMO 之间能隙越小（ΔE），其越有 蚀性能，在 30 ℃、PBA 质量浓度为 80 mg/L 时，缓
可能提供和接受电子。 蚀率高达 96.53%；在高温下 PBA 缓蚀性能依旧良
PBA 的优化分子结构和前线分子轨道密度分布 好，证实了其多环结构的有效性。
见图 9 和图 10，相应的量子化学参数列于表 4。根 （2）极化曲线结果表明，PBA 是一种混合型缓
据文献[24]可知，Fe 的 E HOMO 和 E LUMO 分别为7.81 eV 蚀剂，可同时抑制阴、阳极反应；随着 PBA 质量浓
和0.25 eV。由表 4 可知，(E LUMOFe –E HOMO )远大于 度的增加，腐蚀电流密度显著减小。

（3）PBA 在 Q235 钢表面的吸附遵循 Langmuir
0
等温式，其 ΔG ads小于40 kJ/mol，说明 PBA 分子可
在钢表面自发吸附，且以化学吸附为主；PBA 分子
的吸附活性位点主要集中在苯环和杂环处，且其接
受电子与 Fe 作用的能力更强。
（4）在缓蚀剂结构中引入大量不饱和键或芳环、
图 9 PBA 的优化分子结构图 并通过量子化学等理论计算研究缓蚀剂的缓蚀效果
Fig. 9 Optimized molecular structure of PBA
将是下一步的研究重点。
参考文献：
[1] Donnelly B, Downie T C, Grzeskowiak R, et al. The effect of
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thiocarbamoyl R-CS-NH 2 and related compounds on inhibition
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[3] Wang X, Yang H, Wang F. A cationic gemini-surfactant as effective
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[4] Yao S Z, Jiang X H, Zhou L M, et al. Corrosion inhibition of iron in
20% hydrochloric acid by 1,4/1,6-bis(α-octylpyridinium) butane/
a—HOMO; b—LUMO hexane dibromide[J]. Materials Chemistry & Physics, 2007, 104(2):
图 10 PBA 的前线轨道密度分布图 301-305.
Fig. 10 Frontier molecule orbital density distribution of PBA [5] Wang Jun (王军), Luan Lihui (栾立辉), Yang Xuzhao (杨许召), et al.