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Eco-Friendly Corrosion Inhibitor Derived from Acacia nilotica Fruit Extract for Mild Steel Protection in Acidic Media

本研究表明，金合欢（Acacia nilotica）果实提取物可作为一种有效的、环保的混合型缓蚀剂，用于 1 M HCl 中的低碳钢，通过电化学和表面表征分析证实，其在 20 ppm 时通过形成吸附保护层实现了 94.47% 的最大效率。

原作者： Gulshan Kumar Thakur, Monika Das, Bhawana Jain, Prachi P Nimje, Akhil Saxena

发布于 2026-08-27

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原作者： Gulshan Kumar Thakur, Monika Das, Bhawana Jain, Prachi P Nimje, Akhil Saxena

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

金属是现代工业的支柱，支撑着桥梁，输送着石油，并塑造着储存化学品的容器。然而，这种强度正不断受到攻击。当普通的低碳钢（一种常见且廉价的铁类）遇到酸性环境时，它会从内部开始被侵蚀。这一过程被称为腐蚀，是一种缓慢但持续不断的化学反应，它会削弱结构，造成安全隐患，并导致全球经济在维修和更换上损失数十亿美元。几十年来，科学家们一直试图通过在金属表面涂覆阻挡酸液的合成化学品来阻止这种衰减。然而，许多传统的缓蚀剂具有毒性、价格昂贵或难以安全处置，这在试图解决旧问题时创造了一个新的环境问题。

寻找更好解决方案的目光转向了自然本身。植物充满了复杂的化学化合物，这些化合物经过进化以保护它们免受害虫和环境因素的影响。研究人员发现，某些植物的提取物可以粘附在金属表面，形成一层薄薄的、肉眼看不见的屏蔽层，从而阻止酸接触钢铁。这种方法通常被称为“绿色缓蚀”，承诺在保护我们的基础设施的同时不毒害地球。它依赖于这样一个理念：植物内的天然分子可以起到屏障的作用，就像雨衣可以隔绝水分进入夹克一样，只不过是在微观尺度上，这些分子直接与金属结合。

在最近的一项研究中，一个研究小组调查了印度常见的 Acacia nilotica 树（也称为巴布尔树或阿拉伯胶树）的果实是否可以作为这种屏蔽层。他们重点研究了浸泡在强盐酸溶液中的低碳钢，这种严苛的环境模拟了工业清洗过程和石油开采中的条件。目标非常简单：观察一种简单的水基果实提取物是否能阻止钢铁生锈，并了解其具体作用机制。

研究人员首先准备了细小的、干净的低碳钢条，并以极高的精度对其进行称重。他们将这些钢条放入酸液中，其中一些加入了果实提取物，另一些则没有，并放置了六个小时。通过再次称量钢条的重量，他们可以精确测量有多少金属因腐蚀而损失。结果令人震惊。在只有酸的情况下，钢材损失了显著的重量，表明出现了快速损伤。然而，当存在果实提取物时，重量损失大幅下降。随着提取物添加量的增加，保护效果也随之提升，直到达到一个特定点。在浓度为 20 ppm（百万分之一）时，该提取物阻止了原本可能发生的近 95% 的腐蚀。即使在提高温度以模拟更热的工业条件时，提取物依然有效，尽管其效能随着温度升高而略有下降，这表明保护层是由物理力量维持的，而这些力量会随热量增加而松动。

为了了解金属表面的发生的情况，团队通过高倍显微镜观察了钢材。未受保护的钢材呈现出一片灾区景象：其表面凹凸不平，布满了被酸液侵蚀出的深坑。相比之下，经过果实提取物处理的钢材则保持光滑且完整。显微镜图像显示，提取物在金属上形成了一层均匀的保护膜，有效地阻挡了酸接触下方的钢材。进一步的表面成分分析也证实了这一点。未经处理的钢材显示出高水平的氧含量，这是铁锈和氧化物形成的迹象。然而，经过处理的钢材则显示出氧含量的锐减以及碳和氮含量的显著增加。这种化学特征证明，植物提取物中的分子已成功附着在金属表面，形成了一道阻挡腐蚀元素的屏障。

团队还利用电学测试观察了金属在酸中的行为。腐蚀是一个电化学过程，通过测量电流的流动，研究人员可以观察到缓蚀剂如何改变反应。他们发现，果实提取物使得电流在金属表面流动变得更加困难，而这正是阻止腐蚀所需要的。数据表明，提取物减缓了金属溶解的部分以及氢气产生的部分，有效地为整个衰减过程踩下了刹车。金属表面的电阻显著增加，证实了该保护层既稳固又有效。

研究结论认为，Acacia nilotica 树的果实是一种高度有效且环保的保护低碳钢免受酸腐蚀的方法。该提取物通过在金属表面覆盖一层能够粘附并阻隔酸液的天然分子层来发挥作用。这种方法为有毒化学缓蚀剂提供了一种极具前景的替代方案，在提供强大保护的同时，将对环境的影响降至最低。虽然在极高温度下其效能会略有下降，但在侵蚀性环境中，该提取物仍然是腐蚀管理的有力工具，为依赖钢铁耐用性的行业提供了一条可持续发展的路径。

技术摘要：源自金合欢（Acacia nilotica）果实提取物的环保型缓蚀剂

问题陈述
低碳钢因其低成本和优良的机械性能，在工程、建筑及石油化工行业中具有至关重要的地位。然而，其应用受到在侵蚀性酸性环境（如酸洗和化学加工过程）中快速腐蚀的严重限制。传统的缓蚀剂通常会对环境和健康构成风险。因此，需要寻找有效、经济且环保的替代方案。本研究旨在解决使用金合欢（Acacia nilotica）果实提取物（ANFE）保护 1 M 盐酸（HCl）中低碳钢所面临的挑战。

实验方法
本研究采用多方面的方法来评估金合欢果实提取物（ANFE）的缓蚀潜力：

材料制备： 对低碳钢试样进行抛光、丙酮脱脂并干燥处理。将 20 g 果实粉末浸泡在 100 mL 双蒸水中过夜，制备成 ANFE。
重量损失（重力法）测量： 将试样浸入不同浓度（10–40 ppm）的 1 M HCl 中，温度范围为 298 K 至 328 K，持续六小时。根据质量损失计算腐蚀速率和缓蚀效率。
电化学技术：
- 动电位极化（PDP）： 使用三电极系统（工作电极：低碳钢；参比电极：甘汞电极；对电极：铂电极）进行，以确定腐蚀电流密度 ( $I_{corr}$ )、腐蚀电位 ( $E_{corr}$ ) 和 Tafel 斜率。
- 电化学阻抗谱（EIS）： 在 100 kHz 至 0.1 Hz 的频率范围内进行，用于分析电荷转移电阻 ( $R_{ct}$ ) 和双层电容 ( $C_{dl}$ )。
表面表征：
- 扫描电子显微镜（SEM）： 用于观察表面形貌以及腐蚀坑或保护层的存在情况。
- 能量色散 X 射线光谱（EDS）： 用于分析钢表面的元素组成，特别关注氧、氯和碳含量的变化。文中指出光谱是在 200 ppm 时拍摄的，而定量数据表（表 2）展示的是针对 80 ppm 制备的样品的结果。

主要结果

缓蚀效率： ANFE 提取物表现出显著的缓蚀作用。在最佳浓度 20 ppm 时达到最大效率。
- 重量损失： 在 298 K 和 20 ppm 条件下，缓蚀效率达到 94.58%。随着温度升高（至 328 K），效率略有下降，这表明其吸附机制主要是物理吸附，尽管该缓蚀剂在较高温度下仍能保持有效性。
- PDP 分析： 该抑制剂表现为混合型抑制剂，既影响阳极金属溶解，也影响阴极氢析出，且主要具有阴极特性。腐蚀电流密度 ( $I_{corr}$ ) 从空白组的 $1.74 \times 10^{-3}$ A/cm² 降至 20 ppm 时的 $9.80 \times 10^{-5}$ A/cm²。
- EIS 分析： 电荷转移电阻 ( $R_{ct}$ ) 随抑制剂浓度增加而显著增加，在 20 ppm 时达到 138.41 Ω。这对应于 94.47% 的最大缓蚀效率，证实了保护层的形成阻碍了电荷转移。
吸附机制： ANFE 分子在低碳钢表面的吸附遵循 Langmuir 吸附等温线。植物成分中存在的杂原子（N, O, P）和 $\pi$ 电子系统促进了其与金属表面的强力结合。
表面形貌与组成：
- SEM： 未添加抑制剂的钢表面表现出严重的粗糙度、深坑和腐蚀产物。相比之下，经 ANFE 处理的表面（特别是 40 ppm 时）显得光滑且完整，表明存在稳固的保护膜。
- EDS： 与空白样品相比，受抑制的表面显示出氧和氯含量的显著降低。相反，碳含量显著增加（从 0.20% 增至 5.52%），证实了有机抑制剂膜的吸附。值得注意的是，空白样品中未检测到氮，而抑制样品中的氮含量极微（0.04%）。

意义与主张
作者断言，金合欢果实提取物是一种针对酸性介质中低碳钢的高效、环保且可持续的缓蚀剂。研究强调，该抑制剂的功效源于含有杂原子的植物成分的吸附，这些成分形成了抵御腐蚀元素的连贯保护屏障。

论文声称，ANFE 为合成抑制剂提供了一个可行的替代方案，在室温和最佳浓度下可提供超过 90% 的缓蚀效率。通过重量损失、电化学和表面分析技术的实验结果高度一致，验证了该抑制剂具有降低腐蚀速率并保护金属完整性的能力。作者总结道，ANFE 在工业腐蚀管理应用中具有巨大的潜力，能够提供经济与可持续发展的双重优势。

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