苯并咪唑类缓蚀剂缓蚀机理的理论研究

发布时间：2017-04-10 22:16

  本文关键词：苯并咪唑类缓蚀剂缓蚀机理的理论研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 采用量子化学计算和分子动力学模拟相结合的方法系统研究了苯并咪唑、2-甲基苯并咪唑、2-氨基苯并咪唑和2-巯基苯并咪唑等4种缓蚀剂分子的结构特征、在金属表面的吸附过程以及腐蚀介质在分子膜中的扩散行为,并结合分子抑制HCl对碳钢腐蚀的性能进而分析其缓蚀作用机理,为设计开发新型有机缓蚀剂提供理论指导。 采用密度泛函理论中的B3LYP方法,应用PCM模型,在6-31G*基组水平上对研究分子进行几何优化,并在同一基组水平上计算分子的全局变量和局部变量等参数,以分析分子的反应活性和构效关系。计算结果表明,4种分子均为存在共轭体系的平面分子,其中2-巯基苯并咪唑具有较强的反应活性,其S原子为主要的吸附中心。2-氨基苯并咪唑官能团和咪唑环上含有双键的N原子为两个亲电攻击中心,可在金属表面形成双中心吸附,对于其它2种分子,其反应活性区域主要集中在苯并咪唑环上。通过分子的构效关系分析,分子的最高占有轨道能量(EHOMO)越大,其缓蚀性能越好,分子的能带(ΔE)、硬度(η)、偶极距(μ)越大,其缓蚀性则反之。为了进一步阐明2-巯基苯并咪唑缓蚀作用机理,运用Material Studio4.0软件中的Dmol3模块研究了2-巯基苯并咪唑在金属Fe表面上的吸附、电荷分布和态密度等相关数据,并通过实验的方法测定此分子对A3钢在6%浓度盐酸腐蚀环境中的缓蚀性,其空心吸附为主要的吸附方位,分子与Fe形成配位键,抑制Fe的电子转移。其缓蚀效率达94.8%,在0.05%-0.1%浓度段缓蚀率最高,根据塔菲尔曲线得出2-巯基苯并咪唑是一种阴极保护型缓蚀剂,这与理论计算一致。 运用分子模拟软件Material Studio 4.0软件中的Discover模块,在NVT系综和COMPASS力场下,分别研究4种苯并咪唑类缓蚀剂分子在真空、水介质两种环境下的单分子吸附和Cl-、H+在分子膜中的扩散行为。结果表明,真空中4种分子的吸附主要为平行吸附,其与Fe面的吸附能越大,缓蚀效率越好,在水介质环境中,水对分子的吸附方位影响很大,2-巯基苯并咪唑以其S原子为主要的吸附中心,吸附角约为65o,2-氨基苯并咪唑以官能团和咪唑环上含有双键的N原子为两个吸附点,吸附角约为20o。对于其它2种分子以苯并咪唑环面平行吸附,这一结果与量子化学计算结果相吻合。并且获得腐蚀介质离子在相应的分子膜的扩散系数及理论排序,结合分子成膜的自由体积探讨了相互作用本质,为阐释此类缓蚀剂的作用机理提供了可靠的理论依据。
【关键词】：苯并咪唑 缓蚀剂 量子化学 分子动力学
【学位授予单位】：中国石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TG174.42
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 前言10-29
• 1.1 缓蚀剂科技的发展历史10-12
• 1.2 缓蚀机理的实验研究方法及现代表面分析技术12-15
• 1.2.1 缓蚀机理的实验研究方法12-13
• 1.2.2 现代表面分析技术13-15
• 1.3 缓蚀机理的计算机模拟研究方法15-17
• 1.3.1 量子化学计算方法15-16
• 1.3.2 分子动力学模拟方法16-17
• 1.4 有机缓蚀剂的计算模拟研究现状17-22
• 1.4.1 缓蚀剂分子的量化参数与缓蚀性能的关系17-20
• 1.4.2 结合腐蚀过程的缓蚀剂量子化研究20-21
• 1.4.3 缓蚀剂的吸脱附与缓蚀模型21-22
• 1.5 苯并咪唑类缓蚀剂研究现状22-27
• 1.5.1 苯并咪唑缓蚀剂的结构23
• 1.5.2 苯并咪唑缓蚀剂的性能研究23-24
• 1.5.3 苯并咪唑缓蚀剂的缓蚀机理研究24-27
• 1.5.4 缓蚀机理的计算机模拟研究展望27
• 1.6 本论文的研究工作27-29
• 第二章 理论方法与计算软件简介29-37
• 2.1 理论方法29-35
• 2.1.1 密度泛函理论（DFT）29-31
• 2.1.2 B3LYP方法31
• 2.1.3 前线轨道理论31-32
• 2.1.4 自然键轨道（NBO）理论32
• 2.1.5 分子动力学模拟方法32-35
• 2.2 Gaussian和Material Studio软件简介35-37
• 2.2.1 Gaussian软件简介35-36
• 2.2.2 Material Studio软件简介36-37
• 第三章 苯并咪唑及其衍生物缓蚀性能的理论评价研究37-46
• 3.1 引言37-38
• 3.2 理论计算38
• 3.3 计算结果与讨论38-44
• 3.3.1 溶剂条件下分子结构38-39
• 3.3.2 全局反应活性39-40
• 3.3.3 缓蚀剂分子的反应活性位点40-42
• 3.3.4 分子量子化学参数与缓蚀剂缓蚀性的关系42-43
• 3.3.5 分子动力学模拟43-44
• 3.4 结论44-46
• 第四章 苯并咪唑类缓蚀剂在Fe(001)面吸附的MD研究46-54
• 4.1 引言46
• 4.2 模型建立和计算方法46-47
• 4.2.1 模型建立46-47
• 4.2.2 计算方法47
• 4.3 结果与讨论47-52
• 4.3.1 模拟体系的平衡47-48
• 4.3.2 缓蚀剂分子与Fe(001)面的吸附能48-52
• 4.3.3 缓蚀剂分子在Fe面吸附方位52
• 4.4 结论52-54
• 第五章 腐蚀介质在缓蚀剂保护膜中扩散行为的MD研究54-62
• 5.1 引言54-55
• 5.2 理论计算55-56
• 5.2.1 模型建立55
• 5.2.2 计算方法55-56
• 5.3 结果与讨论56-61
• 5.3.1 有机缓蚀剂分子在Fe表面吸附成膜56-57
• 5.3.2 离子与分子膜相互作用能量57-58
• 5.3.3 Cl~- 、H~+在缓蚀剂保护膜中的扩散行为58-59
• 5.3.4 缓蚀剂分子膜的自由体积59-61
• 5.4 结论61-62
• 第六章 2-巯基-苯并咪唑分子缓蚀机理的理论研究62-69
• 6.1 引言62
• 6.2 实验方法和理论计算62-64
• 6.2.1 实验方法62-63
• 6.2.2 模型建立与计算方法63-64
• 6.3 结果与讨论64-68
• 6.3.1 室温下缓蚀剂质量分数的变化对缓蚀剂缓蚀效率的影响64
• 6.3.2 稳态极化曲线的测定64-65
• 6.3.3 分子在Fe(001)面上稳定的吸附位置65
• 6.3.4 电子结构分析65-68
• 6.4 结论68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-77
• 论文发表情况77-78
• 致谢78

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 罗红;康永;;浅析咪唑啉类缓蚀剂对CO_2/H_2S腐蚀抑制作用[J];清洗世界;2011年07期

2 康永;罗红;;咪唑啉类缓蚀剂对CO_2/H_2S腐蚀抑制作用研究进展[J];精细石油化工进展;2011年09期

3 康永;;咪唑啉类缓蚀剂腐蚀抑制作用[J];石油化工腐蚀与防护;2012年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 吴振玉;Gemini表面活性剂在酸性溶液中对金属的缓蚀性能研究[D];中南大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 梅其政;两种环境友好型酸洗缓蚀剂的复配和性能研究[D];长沙理工大学;2009年

2 秦婷婷;自组装膜对铜在盐酸介质中缓蚀作用的研究[D];西南大学;2011年

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本文编号：297646