Propiedades de inhibición de la corrosión del derivado de la base de Schiff contra el acero dulce en un entorno de HCl complementadas con investigaciones DFT

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8979 (2023) Citar este artículo

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Existe un interés creciente en el uso de inhibidores de la corrosión y tratamientos protectores para limitar la degradación del acero dulce, lo que lleva al desarrollo de numerosas bases de Schiff como inhibidores de vanguardia. En este estudio, se demostró la eficacia de una base de Schiff, 3-((5-mercapto-1,3,4-tiadiazol-2-il)imino)indolin-2-ona (MTIO), para prevenir la corrosión del acero dulce en HCl. investigado utilizando mediciones de pérdida de peso, mediciones de polarización potenciodinámica, técnicas de espectroscopia de impedancia electroquímica y caracterización de superficies. Los resultados experimentales mostraron que MTIO 0,5 mM mostró una eficacia inhibidora satisfactoria del 96,9 % a 303 K. Las moléculas de MTIO se adsorbieron física y químicamente en la superficie de acero dulce siguiendo el modelo de Langmuir, formando una película protectora compacta atribuida a la presencia de un anillo de tiazol. en la estructura MTIO. Los cálculos teóricos se combinaron con técnicas experimentales para investigar el rendimiento anticorrosivo y el mecanismo de inhibición.

El acero dulce se usa comúnmente para fabricar componentes estructurales1, pero es particularmente propenso a la corrosión ambiental2, lo que genera pérdidas económicas significativas3. Por lo tanto, la investigación en curso tiene como objetivo desarrollar inhibidores de la corrosión4,5 para aplicaciones industriales, especialmente en las industrias del petróleo y el gas6,7,8,9. Un inhibidor eficiente requiere un anillo heterocíclico y/o heteroátomos como nitrógeno, oxígeno, azufre y sistemas pi para coordinarse con el orbital d del hierro y formar enlaces de coordinación10,11,12. Los inhibidores orgánicos son seguros para el medio ambiente y presentan buenas características anticorrosivas13,14,15. El tiadiazol aromático, que contiene heteroátomos de azufre y nitrógeno, junto con la isatina, que contiene oxígeno y nitrógeno, sirven como donantes de electrones. Investigaciones anteriores informaron que 0,01 M de 2-amino-5-mercapto-1,3,4-tiadiazol lograron una eficiencia de inhibición del 99 % para la corrosión del acero dulce en HCl16 1 M. Al-Amiery et al. investigó la protección contra la corrosión de una nueva base de Schiff, 5,5'-((1Z,1'Z)-(1,4-fenilenbis(metanililideno))bis(azanyilideno))bis(1,3,4-tiadiazol-2) -tiol) (PBB), que contiene un enlace de imina y un anillo de fenilo, y logró una eficiencia de inhibición del 95,16 % para acero dulce en solución de HCl 1 M17. La comparación de los dos estudios revela que las estructuras químicas de los inhibidores utilizados en ambos estudios contienen tiadiazol, pero la adición de un enlace de imina y un anillo de fenilo en PBB resultó en una eficiencia de inhibición ligeramente menor que la lograda con 2-amino-5-mercapto- 1,3,4-tiadiazol. Se ha evaluado el comportamiento anticorrosivo, pero aún no está claro qué sustituyentes contribuyen más a la inhibición de la corrosión. La investigación experimental es costosa y lleva mucho tiempo, por lo que se han adoptado enfoques teóricos, actualmente respaldados por suficiente software y tecnología, para superar tales problemas. La capacidad de una partícula para prevenir la corrosión depende de su distribución de carga, que se puede determinar con precisión mediante la investigación teórica, ya que el sitio de adsorción durante la inhibición de la corrosión se puede predecir mediante la aplicación de simulaciones químicas cuánticas18. Los problemas relacionados con los resultados analíticos relacionados con las interacciones de los compuestos naturales con las superficies metálicas se pueden responder mediante cálculos de química cuántica19. La teoría funcional de la densidad (DFT) se puede utilizar para proporcionar una descripción completa del comportamiento del inhibidor con respecto a su orientación y estructura, así como también cómo se adsorbe el inhibidor en la superficie del metal20. Por ejemplo, Hadisaputra et al. utilizó DFT para pronosticar la eficacia de las cumarinas y la cafeína como compuestos anticorrosivos metálicos21. El grado en que los inhibidores orgánicos de la corrosión interactúan con las superficies metálicas depende de los sitios donantes y extractores de electrones, así como de la posición22.

Hay mucha investigación sobre compuestos anticorrosivos de acero dulce en ambientes corrosivos13, como compuestos orgánicos con restos estructurales que incluyen tetrazoles, imidazoles, triazoles, quinolonas, piridinas, bases de Schiff, sales de amonio cuaternario y bases de Mannich23,24,25,26,27, 28,29,30. Una clase particularmente importante de inhibidores de la corrosión utilizados en el ambiente ácido altamente concentrado son las bases de Schiff hechas de tiadiazoles y aldehídos31,32. La producción de una barrera protectora sobre una superficie de acero está significativamente influenciada por la base de Schiff producida a partir de moléculas de tiadiazol. Aunque se han publicado numerosos estudios de inhibidores de corrosión para acero dulce, la mayoría se realizan en entornos ácidos fuertes, como ácido clorhídrico, ácido sulfúrico y ácido fosfórico33,34. Al establecer una capa protectora, adsorberse o producir un compuesto insoluble en la superficie del acero, el inhibidor bloquea el sitio activo para evitar la corrosión35, por lo que la estructura del inhibidor influye en la eficacia del inhibidor. La adsorción del inhibidor a la superficie del acero está determinada por la presencia de átomos de fósforo, azufre, oxígeno y nitrógeno, así como de electrones pi (dobles enlaces)36. A menudo se evalúan las correlaciones simplificadas entre los parámetros electrónicos moleculares y las eficiencias de inhibición de la corrosión. En muchos estudios, se ha encontrado una relación entre estos parámetros electrónicos y las eficiencias de inhibición de la corrosión de un inhibidor de corrosión orgánico. Pero algunos investigadores tienen una opinión diferente según los resultados de su investigación, donde se examinaron 12 parámetros electrónicos moleculares diferentes y ninguno de los parámetros probados mostró una asociación significativa con el rendimiento de la protección. Las correlaciones observadas entre estas características y el rendimiento inhibidor, establecidas solo para unos pocos compuestos y ampliamente publicadas en las publicaciones, son cuestionadas por sus hallazgos37.

La corrosión de los sustratos metálicos es un desafío importante al que se enfrentan varios procesos industriales. Las bases de Schiff han surgido como candidatos prometedores para los inhibidores de la corrosión debido a sus excelentes propiedades de adsorción y formación de películas. En particular, la base de Schiff 3-((5-mercapto-1,3,4-tiadiazol-2-il)imino)indolin-2-ona (MTIO) ha mostrado un gran potencial como inhibidor de la corrosión para sustratos metálicos en medios ácidos. . Aunque se han informado varias otras bases de Schiff en la literatura, la eficiencia de inhibición de la corrosión de MTIO no se ha estudiado de manera exhaustiva utilizando enfoques experimentales y teóricos. Por lo tanto, en este estudio, investigamos el rendimiento de inhibición de la corrosión de MTIO mediante mediciones de pérdida de peso, mediciones de polarización potenciodinámica (PDP), técnicas de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) y caracterización de superficies. Además, utilizamos los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para obtener información sobre el mecanismo molecular de la inhibición de la corrosión. Los resultados de este estudio brindan nuevos conocimientos sobre la efectividad de MTIO como inhibidor de la corrosión y contribuyen al desarrollo de estrategias de prevención de la corrosión más efectivas para sustratos metálicos en ambientes ácidos. En este documento, informamos la investigación de las propiedades de prevención de la corrosión de MTIO, un agente anticorrosivo de tipo base de Schiff que se muestra en la Fig. 1. La eficacia de MTIO para prevenir la corrosión del acero de sustrato metálico en medios corrosivos se estudió mediante DFT.

La estructura química de MTIO.

Se empleó un espectrómetro de fluorescencia de rayos X (XRF) para analizar la composición química de los cupones de acero dulce con las siguientes relaciones de peso: 0,21 C, 0,05 Mn, 0,09 F, 0,05 S, 0,01 Al, 0,38 Si y el resto Fe. Se utilizaron muestras con un área cúbica de \({1 cm}^{2}\) para las mediciones de PDP y EIS, mientras que se emplearon muestras de \(2,50 x 2,00 x 0,03 cm\) para las mediciones de pérdida de peso. Las muestras se prepararon de acuerdo con la norma ASTM G1-0338 y se utilizó una serie de placas de carburo de silicio (Grado 320–1200) para raspar las superficies. Los especímenes fueron enjuagados en agua bidestilada seguido de acetona y secados al horno.

El ambiente corrosivo fue HCl 1 M, preparado por disolución de ácido clorhídrico al 37% en agua bidestilada. Se prepararon diversas concentraciones del inhibidor (0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 y 1,0 mM) mediante dilución adecuada en HCl 1 M.

Las mediciones de pérdida de peso se realizaron en base a NACE TM0169/G3139. Los cupones de sustrato metálico fabricados se pesaron y colocaron en vasos de precipitados de 500 mL con 400 mL de HCl 1 M con la adición de diferentes concentraciones del inhibidor probado (\(0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5,\mathrm{ y }1\mathrm { mM}\)) a 303 K en un baño de agua durante 1, 5, 10, 24 y 48 h. Luego, los productos de corrosión se limpiaron de la superficie de los especímenes antes de secarlos un período después. Las muestras se pesaron para determinar la pérdida de peso (\(\mathrm{W}\)). Los sustratos metálicos también se sumergieron en medios corrosivos inhibidos durante 5 h con las diferentes concentraciones de inhibidor a \(303, 313, 323\mathrm{ y }333\mathrm{ K}\) utilizando un baño de agua para determinar la influencia de la temperatura. Para garantizar la precisión de los resultados, cada prueba se realizó tres veces y se registró el promedio. La velocidad de la velocidad de corrosión (\({\mathrm{C}}_{\mathrm{R}})\) se calculó de la siguiente manera en la ecuación. (1):

donde a es el área del cupón (\({cm}^{2}\)), d es la densidad del cupón (\({g.cm}^{-3}\)), y t es el período de inmersión (h ).

La eficiencia de inhibición se determinó de acuerdo con la Eq. (2):

donde \({C}_{Ro}\) es la tasa de corrosión en solución no inhibida, \({C}_{Ri}\) es la tasa de corrosión en solución inhibida.

Basado en la Ec. (3), se determinó el θ (área de cobertura de la superficie) para diferentes concentraciones de inhibidor en solución corrosiva a partir de las mediciones de pérdida de masa:

El instrumento Gamry (\(referencia\,600\,potenciostato/galvanostato/ZRA-\,modelo (Gamry,\,Warminster,\,PA,\,USA)\)) se utilizó para realizar las técnicas electroquímicas de acuerdo con la norma ASTM G1 -0338. Las muestras de sustrato metálico se usaron como electrodos de trabajo y las mediciones electroquímicas se iniciaron 30 min después de que el electrodo de trabajo se expusiera a un medio ácido, mientras se mantenía un potencial de estado estable de 303 K. Para usar la herramienta Gamry Echem Analyst, la principal el potencial de influencia se alteró de \(0,25\,a +0,25\,V\,SCE\) a una velocidad de exploración de \({0,5 mV s }^{-1}\). Luego, todos los valores de impedancia se ajustaron a los circuitos equivalentes (EC) relevantes. El electrodo de trabajo, el contraelectrodo y el electrodo de referencia (SCE) fueron los electrodos principales que componían la celda de vidrio con camisa de agua de Gamry. Se utilizó un electrodo de calomelanos saturados como electrodo de referencia40.

Se puede encontrar información adicional sobre las propiedades de las sustancias bajo investigación en las isotermas de adsorción. Se deben utilizar varias isotermas de adsorción, incluidas Langmuir (Ec. 4), Temkin (Ec. 5) y Frumkin (Ec. 6), para estimar el grado de cobertura de la superficie del inhibidor (θ) para elegir el mejor modelo de isoterma. Por lo tanto, el parámetro (θ) para varias dosis de inhibidor en solución de HCl 1 M se examinó utilizando técnicas de pérdida de peso.

donde Kads es la constante de adsorción-desorción y θ es la cobertura superficial.

Los cupones de sustrato metálico se sumergieron en las soluciones inhibida y no inhibida durante 5 h y luego se observaron utilizando un Compact FESEM (Zeiss MERLIN) a una resolución de 0,8 nm (15 kV/1,6) en modo STEM en la Unidad de Microscopía Electrónica de la Universidad Kebangsaan de Malasia. en Selangor. Después de la exposición al medio ácido con y sin el inhibidor, los cupones se lavaron con agua destilada, se secaron y analizaron por SEM.

Gaussian 09 se utilizó para ejecutar los cálculos mecánicos cuánticos20. El funcional B3LYP se utilizó para optimizar la estructura de la molécula orgánica en estado gaseoso, con la justificación establecida en "6-31G++" (d,p). Las relaciones (7) y (8) se usaron para calcular el potencial de ionización (I) y la afinidad electrónica (A), que están relacionados con \({E}_{HOMO}\) y \({E}_{LUMO} \), correspondientemente, según el teorema de Koopman41.

Para determinar la electronegatividad (χ), la blandura (σ) y la dureza (η), las Ecs. Se utilizaron (9) a (11).

Se aplicó la ecuación (12) para calcular el número fraccionario de electrones transportados (\(\Delta N\)),42:

El valor de electronegatividad para el hierro (χFe) fue igual a 7 eV, mientras que la dureza del hierro ηFe fue igual a 0 eV como en la ecuación. (13):

\({C}_{R}\) y IE% se presentan en la Fig. 2, lo que muestra que la capacidad del inhibidor para prevenir la corrosión aumentó con el aumento de la concentración hasta 0,5 mM. Más allá de esta concentración, la eficiencia de inhibición se mantuvo constante, lo que indica que la cobertura de la superficie alcanzó el equilibrio y un mayor aumento de la concentración no proporcionaría ninguna ganancia adicional en términos de eficiencia.

El efecto de la concentración de inhibidor en \({C}_{R}\) y \(IE\%\) del sustrato metálico sometido a 1 M HCl durante 5 h a 303 K.

El efecto del período de exposición en el IE se investigó sumergiendo las muestras de acero dulce en HCl 1 M con/sin varias concentraciones de inhibidor durante \(1, 5, 10, 24 y 48 h a 303 K\). Como se muestra en la Fig. 3, hubo un fuerte aumento en el IE hasta las 5 h seguido de un aumento constante hasta las 24 h, luego el IE comienza a disminuir y se estabiliza después de 48 h. El IE aumenta a medida que aumenta el número de moléculas inhibidoras que se adhieren a la superficie del sustrato metálico para formar una barrera protectora. La acción de las fuerzas de van der Waals entre las moléculas inhibidoras provocará la desorción de algunas moléculas inhibidoras, lo que dará como resultado una reducción del área activa y, en consecuencia, una reducción de la eficacia inhibidora. La estabilidad de la capa protectora adsorbida en presencia de HCl 1 M queda demostrada por la IE relativamente alta demostrada durante la exposición prolongada43.

El efecto del tiempo de inmersión y varias concentraciones de inhibidor en el CR y IE% de acero dulce en 1 M HCL a 303 K.

Se realizaron pruebas de pérdida de peso a diferentes temperaturas (303, 313, 323 y 333 K) para evaluar el efecto de la temperatura en el desempeño inhibidor de MTIO, como se ilustra en la Fig. 4. Los resultados muestran que la tasa de corrosión (\({ C}_{R}\)) del sustrato metálico en HCl 1 M aumenta con la temperatura, incluso en presencia del inhibidor probado a la misma concentración. Esto se debe a que a medida que aumenta la temperatura, las moléculas de HCl se vuelven más enérgicas y agitadas, lo que conduce a un aumento de la conductividad y, en consecuencia, a una mayor velocidad de corrosión. A pesar del aumento de la tasa de corrosión con la temperatura, la adición de MTIO aún brinda cierto grado de protección contra la corrosión, aunque en menor medida en comparación con temperaturas más bajas44.

Efecto de la temperatura en HCl 1 M en varias concentraciones de MTIO después de 5 h de inmersión.

A medida que aumenta la temperatura, el IE disminuye debido al aumento de \({C}_{R}\) y se produce corrosión debido a la eliminación de las partículas inhibidoras de la superficie del metal, lo que aumenta la superficie del sustrato metálico en contacto con el ambiente ácido y por lo tanto el \({C}_{R}\). La relación de Arrhenius45 (Ec. 14) es un ejemplo significativo de la energía de activación \({(E}_{a} )\) aparente del \({C}_{R}\) y proceso de corrosión:

donde R es la constante de los gases (\(8.314\,J\,{mol}^{-1} {K}^{-1}\)), y A es el parámetro de Arrhenius.

En la Fig. 5 se presenta el diagrama de Arrhenius de la tasa de corrosión logarítmica versus \({T}^{-1}\) para el sustrato metálico en un ambiente corrosivo con/sin varias concentraciones de inhibidor a diferentes temperaturas durante 5 h. \( El valor {E}_{a}\) se evaluó de acuerdo con la pendiente que es igual a (\({E}_{a}\)/2.303R) y se presenta en la Tabla 1. La energía de activación (\({E Los valores de }_{a}\)) obtenidos de la ecuación de Arrhenius para diferentes concentraciones de inhibidor a 303 K pueden proporcionar información sobre el mecanismo del proceso de inhibición. En general, un valor más alto de Ea indica una barrera de energía más alta para la reacción de corrosión, lo que significa que el inhibidor es más eficaz para impedir la reacción. En este estudio, se encontró que los valores de Ea para el sistema inhibido eran más altos que los del sistema no inhibido en todas las concentraciones de inhibidor. Esto sugiere que el inhibidor de MTIO proporciona una barrera de energía más alta para la reacción de corrosión, lo que conduce a una tasa de corrosión más baja en comparación con el sistema no inhibido. Además, los valores de \({E}_{a}\) para el sistema inhibido aumentaron al aumentar la concentración del inhibidor hasta 0,5 mM, lo que indica que el efecto protector del inhibidor aumenta a medida que aumenta la concentración. Sin embargo, más allá de 0,5 mM, los valores de Ea disminuyeron, lo que puede atribuirse a la saturación de las moléculas inhibidoras en la superficie del metal, lo que lleva a una disminución del efecto inhibidor. En general, los resultados de los valores de Ea obtenidos a 303 K son consistentes con las mediciones de pérdida de peso, que mostraron que la capacidad del inhibidor para prevenir la corrosión aumentó al aumentar la concentración hasta 0,5 mM y disminuyó a concentraciones más altas.

Gráficos de Arrhenius para la corrosión del sustrato metálico en HCl 1 M con/sin MTIO a varias temperaturas.

El modelo cinético-dinámico se utilizó para evaluar las interacciones de las partículas de MTIO con el sustrato metálico. Se calcularon la entalpía de activación (∆H) y la entropía de activación (∆S) para la formación del complejo de activación en la relación de estado de transición usando los valores experimentales de \({C}_{R}\) de los resultados de pérdida de peso. El estado de transición se expresa en la ecuación. (15):

donde \({C}_{R}\) es la velocidad de corrosión, h se refiere a la constante de Plank y N es el número de Avogadro.

La figura 6 muestra las gráficas de log(\({C}_{R}\)/T) frente a 1/T, y los parámetros ∆H* y ∆S* se evaluaron a partir de la pendiente (\({\Delta H} ^{*}\)/2.303R) e interceptar [\(log(R/Nh)+({\Delta S}^{*}/2.303R)\)]. La tabla 2 proporciona una lista de las variables cinético-termodinámicas45,46,47. Los valores de ∆S varían negativamente con y sin el inhibidor, lo que sugiere que la asociación en lugar de la disociación, que indica un mayor ordenamiento, produce el complejo activado en la fase determinante de la velocidad. Estos resultados son consistentes con los hallazgos previos de las mediciones de pérdida de peso, donde la eficiencia de inhibición aumentó con el aumento de la temperatura y la concentración, lo que indica que las moléculas inhibidoras se adsorben en la superficie del sustrato metálico para formar una capa protectora. Además, los valores positivos de ∆H* sugieren que la adsorción de las moléculas inhibidoras sobre la superficie del sustrato metálico es un proceso endotérmico, lo que indica que la adsorción se produce mediante fisisorción en lugar de quimisorción.

Gráficos cinético-termodinámicos para la corrosión de sustratos metálicos en HCl sin y con MTIO a diferentes temperaturas.

La adsorción de moléculas de MTIO en la superficie metálica la protege de la corrosión, por lo tanto, comprender el proceso de inhibición de MTIO hace que la investigación de la isoterma de adsorción sea extremadamente importante. Se determinó el porcentaje de cobertura de la superficie y se evaluaron tres isotermas de adsorción, a saber, Frumkin, Temkin y Langmuir, para identificar el mecanismo de adsorción. Después de analizar los datos experimentales, se encontró que la isoterma de Langmuir era el modelo más apropiado para ajustar los datos de adsorción (Fig. 7). La isoterma de Langmuir exhibió una relación lineal con un valor del coeficiente de regresión (R2) cercano a la unidad. La ecuación de la isoterma de adsorción de Langmuir (ecuación 4 en la sección "Isoterma de adsorción") se usa comúnmente para describir el comportamiento de adsorción de adsorbentes monocapa48.

Diagramas de isotermas de adsorción de Langmuir para acero dulce sumergido en HCl 1 M durante 5 h en presencia de varias concentraciones de MTIO a diferentes temperaturas.

El valor de \({K}_{ads}\) se calculó a partir del diagrama de isoterma de Langmuir que se muestra en la Fig. 7, que muestra una relación lineal entre \(log (C/\theta )\) y \({C}_ {inh}\). El valor de \({K}_{ads}\) calculado se presenta en la Tabla 3. El valor de \({K}_{ads}\) indica la eficacia con la que una molécula inhibidora se adhiere a un sustrato metálico, por lo tanto, cuanto mayor sea la \ ({K}_{ads}\), mayor adsorción y más efectiva inhibición49. El inhibidor probado tuvo el mayor valor de \({K}_{ads}\), lo que indica que su adsorción en superficies de acero dulce será la mayor. Con base en la conexión50, los valores de \({K}_{ads}\) y la energía libre estándar de adsorción (\({\Delta G}_{ads}^{0}\)) están relacionados (Ec. 16 ):

Por lo general, la fisisorción (adsorción física) ocurre entre las moléculas inhibidoras y la superficie de acero dulce cuando el cambio de energía libre de la adsorción (\({\Delta G}_{ads}^{0}\)) es menos negativo que \(-20 \) \({kJ mol}^{-1}\). Por el contrario, la quimisorción (adsorción química), que implica la formación de un enlace de coordinación entre el inhibidor y la superficie metálica, normalmente ocurre cuando los valores de \({\Delta G}_{ads}^{0}\) son más negativos que \(-40\) \({kJ mol}^{-1}\). Este proceso puede implicar la transferencia de electrones no apareados de heteroátomos de las moléculas inhibidoras a los orbitales d de los átomos de hierro en la superficie35,51,52. El \({\Delta G}_{ads}^{0}\) en este estudio osciló entre \(-34,48\) y \(-39,92\) \({kJ mol}^{-1}\), lo que indica una amplia gama de adsorción (que implica tanto la fisisorción como la quimisorción). Dado que disminuyen la reactividad natural del metal en los lugares donde están conectados, se espera que las moléculas quimisorbidas ofrezcan una protección más eficaz. Sin embargo, el valor de Gads solo hace que sea imposible distinguir entre quimisorción y fisisorción. Además, la adsorción física de los inhibidores sobre la superficie metálica ocurre antes que su adsorción química53,54. Los valores fueron positivos y aumentaron con el aumento de la temperatura. Con el aumento de la concentración aumenta la energía libre de activación y se atribuye a la formación de un complejo activado inestable en el estado de transición determinante de la velocidad.

EIS proporciona datos sobre el comportamiento capacitivo y resistivo de la interfaz solución/metal sin y con diferentes concentraciones del inhibidor investigado55. Las gráficas de Nyquist de sustrato metálico en HCl 1 M en presencia y ausencia de diferentes concentraciones de MTIO iniciadas después de un período de exposición de 30 min se muestran en la Fig. 8(a) y son comparables, lo que indica que MTIO reduce la corrosión sin modificar su mecanismo55. Los diagramas de Nyquist de electrodos de metal sólido debido a la dispersión de frecuencia de impedancia interfacial consisten en semicírculos bajos con centros de ejes reales. La rugosidad de la superficie, la falta de homogeneidad de la superficie del electrodo, la rotura del electrodo y la adsorción de moléculas e impurezas de MTIO generalmente se atribuyen a este hecho56 y se representan en la Fig. 8b. El circuito consta de \({R}_{s}\) (resistencia de la solución), un CPE (elemento de fase constante) y Rct (resistencia de transferencia de carga). En este caso, se empleó CPE en lugar de capacitancia de doble capa pura (\({C}_{dl}\)) para considerar el impacto de las impurezas, la formación de la capa porosa, la dislocación, la adsorción de inhibidores y límites de grano en la superficie de acero dulce57,58. La impedancia CPE (ZCPE) se calculó utilizando la ecuación. (17)59:

donde Y0 es la constante del elemento de fase constante, j se refiere a un número imaginario, ω significa la frecuencia angular y α es el cambio de fase (medida de rugosidad de la superficie).

( a ) Diagramas de Nyquist de sustrato metálico en soluciones inhibidas y no inhibidas. (b) Circuito equivalente aplicado al ajuste de datos EIS.

CPE puede indicar impedancia (\(\boldsymbol{\alpha } = 0\)), capacitancia (\(\boldsymbol{\alpha } = 1\)), inductancia (\(\boldsymbol{\alpha } = 1\)) , o resistencia de Warburg (\(\boldsymbol{\alpha } = 0.5\)) dependiendo del valor de n. Se utilizó la ecuación (18) para determinar los valores de \({C}_{dl}\) sin y con la adición del inhibidor60:

donde el valor máximo (\({rads}^{-1}\)) del componente imaginario de la resistencia se alcanza en la frecuencia ωmax.

La Tabla 4 proporciona una lista de las variables medidas que incluyen \({R}_{s}\), \({R}_{ct}\), α, \({C}_{dl}\), IE% , y cobertura superficial (θ). Hubo un aumento considerable en el valor de \({R}_{ct}\) con un aumento en la concentración de MTIO, lo que indica que el inhibidor redujo la velocidad de la reacción de transferencia de carga al adsorberse en el sustrato metálico, lo que redujo la corrosión. tasa61. Además, los valores de \({C}_{dl}\) fueron más bajos en la solución inhibidora que en la solución no inhibida, posiblemente debido a la reducción de la constante dieléctrica local y/o al aumento del espesor de la doble capa eléctrica, lo que confirma que el proceso de adsorción evita corrosión del sustrato metálico62. El valor de n en la solución inhibida es mayor que el de la desinhibida, y son casi constantes y cercanos a la unidad, lo que indica que la superficie es más suave en la solución que contiene el inhibidor, lo que se debe a que la superficie del sustrato metálico está protegida por la barrera protectora adsorbida sobre la superficie63.

La proyección de Tafel es importante para la corrosión y se emplea en enfoques de polarización como mediciones potenciodinámicas, polarización cíclica e impedancia de polarización lineal. Las observaciones de la impedancia de polarización se pueden utilizar para evaluar la dinámica de corrosión de películas delgadas (y posiblemente capas de recubrimiento) a lo largo del tiempo. El parámetro principal utilizado para evaluar la eficacia cinética de los recubrimientos protectores es el \({i}_{corr}\), con densidades de corriente más altas que conducen a un comportamiento electroquímico más bajo. Además, el estrecho rango de potencial de pasivación junto con el bajo potencial de picaduras y la rápida velocidad de corrosión indican defectos en el revestimiento y poros que permiten la difusión del electrolito, lo que facilita la pérdida del revestimiento protector64. El método de extrapolación de Tafel es una técnica de polarización popular para estimar \({C}_{R}\). En comparación con las medidas estándar de pérdida de peso, esta técnica (referida a la técnica específica que se analiza) es más rápida y brinda resultados más precisos. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la tasa de corrosión (\({C}_{R}\)) calculada usando la extrapolación de Tafel de las curvas de polarización puede diferir de las calculadas usando la pérdida de peso, ya que los dos métodos miden diferentes aspectos de la corrosión. La fórmula de Tafel muestra una teoría de potencial mixto que aprovecha la cinética y la termodinámica de todos los eventos que tienen lugar en la superficie del electrodo para pronosticar \({C}_{R}\) y potenciales, ya que tiene la capacidad de referirse a un rango de corrosión. reacciones relacionadas. Las situaciones corrosivas a menudo quedan excluidas del potencial reversible de todos los procesos. Por lo tanto, la cinética de Tafel proporciona una descripción correcta de la cinética de corrosión en situaciones en las que no se consideran las limitaciones de transferencia de masa. Cuando un electrodo de metal se sumerge en un ambiente de agua corrosiva, las reacciones anódicas y catalíticas ocurren espontáneamente en la superficie del electrodo, lo que lleva a la corrosión del electrodo. En este caso, los potenciales de electrodo subsiguientes y los potenciales de inversión o de equilibrio de cada reacción que ocurre en la superficie no pueden compararse. El \({i}_{corr}\) se determina derivando el componente lineal de la curva a \({\mathrm{E}}_{\mathrm{corr}}\), como se demuestra en la Fig. 9. Suponiendo una corrosión uniforme, la ley de Faraday se puede usar para convertir \({i}_{corr}\) en tasa de penetración o pérdida de peso, lo que permite no solo medir tasas de corrosión significativamente más bajas, sino también monitorear continuamente el sistema bajo investigación. La Figura 9 muestra los diagramas de Nyquist y Bode de acero dulce en HCl 1 M en presencia y ausencia de MTIO a diferentes concentraciones. La Figura 9 muestra el procedimiento y la Eq. (19) muestra cómo se evaluó el efecto inhibitorio.

donde \({i}_{corr}\) y \({i}_{corr(inh)}\) son las corrientes en soluciones inhibidas y no inhibidas.

(a) La extrapolación de las pendientes de Tafel. ( b ) Curvas de polarización de sustrato metálico en soluciones inhibidas y no inhibidas.

La Figura 9 a 303 K muestra las curvas de polarización para la muestra de sustrato metálico en soluciones inhibidas y no inhibidas con varias concentraciones de inhibidor. La Tabla 5 muestra la información para el potencial de corrosión (\({E}_{corr}\)), densidad de corriente de corrosión (\({i}_{corr}\)) e IE junto con el anódico (\({ \beta }_{a}\)) y catódica (\({\beta }_{c}\)) pendientes de Tafel. El software Gamry-E chem Analyzer presenta el método de ajuste de Tafel, que utiliza una minimización de chi-cuadrado no lineal para hacer coincidir la información con la fórmula de Stern-Geary.

La dispersión de \({\mathrm{E}}_{\mathrm{corr}}\) por MTIO ocurre principalmente cuando el cambio de \({\mathrm{E}}_{\mathrm{corr}}\) llega a 85 mV. Esto sugiere que el inhibidor de la corrosión podría clasificarse teniendo propiedades tanto catódicas como anódicas. Como resultado, se podría considerar que las partículas tienen un comportamiento de tipo mixto. En presencia de MTIO en medios ácidos, se pospone la generación de hidrógeno catódico y se desacelera la degradación anódica del sustrato metálico. De acuerdo con la Tabla 5, donde la adición de MTIO dio como resultado una disminución en las lecturas de densidad de corriente, el \({C}_{R}\) disminuyó a medida que aumentaba la concentración de MTIO, fortaleciendo la eficacia inhibitoria. Ambos procesos estuvieron bajo la influencia del MTIO, como lo muestran \({\beta }_{a}\) y \({\beta }_{c}\), que rara vez se alteraron mientras el MTIO estaba presente . Las partículas no tuvieron efecto sobre el desarrollo de hidrógeno o la disolución del sustrato metálico65. En un medio ácido, MTIO detuvo o retardó con éxito la corrosión del sustrato metálico66,67,68. Las siguientes son las reacciones del sustrato metálico y del cátodo en HCl, y la relación (20) ilustra el proceso de la reacción catódica.

El mecanismo de reacción anódica en solución no inhibida (Ecs. 21-24):

El mecanismo de reacción anódica en solución inhibida (Ecs. 25-30):

La presencia de MTIO produce una película de \(\mathrm{Fe}.{inh}_{ads}\) que previene de manera eficiente la deposición de iones de hierro anódico y reduce las cargas en la interfaz entre el sustrato metálico y el medio ácido, lo que limita la formación de la reacción de hidrógeno catódico. Los datos de polarización demuestran inequívocamente que el MTIO tiene principalmente un efecto catódico.

En las Figs. 10a y b. Como se ve en la Fig. 10a, la superficie estaba combada y coronada, lo que indicaba una severa corrosión de la superficie del sustrato metálico. La Figura 10b muestra las características de la superficie con una corrosión sustancialmente menor que la Figura 10 con la adición de MTIO (a).

Fotografías SEM en HCl 1 M sin (a) y con (b) MTIO.

El LUMO indica la capacidad de aceptar electrones y es aceptor de electrones, mientras que el HOMO indica la capacidad de proporcionar electrones y posee electrones. A medida que aumenta EHOMO y disminuye ELUMO, aumenta la capacidad de adsorción de las partículas inhibidoras en la superficie del sustrato metálico. La Figura 11 muestra la vista de la tercera estructura de la molécula MTIO, mientras que la Tabla 6 enumera EHOMO y ELUMO.

La (a) tercera estructura, (b) HOMO y (c) LUMO de la molécula MTIO.

Los resultados computados están razonablemente de acuerdo en que implican que la estructura química de MTIO está bastante organizada y extremadamente adsorbida en el sustrato metálico, logrando un área de superficie de cobertura más amplia. El anillo lateral de tiadiazol se extiende fuera del plano en la geometría molecular de energía optimizada para MTIO, mientras que el anillo de isatina es plano (Fig. 11a), lo que hace que la configuración plana de los anillos de tiadiazol e isatina sea ideal para la adsorción en el sustrato metálico. De acuerdo con la Fig. 11b, las densidades de electrones en HOMO están dispersas sobre el anillo de tiadiazol y una pequeña proporción del anillo de isatina. Además, la Fig. 11c demuestra que las densidades de electrones en LUMO están dispersas por toda la molécula, lo que facilita la transferencia de electrones de partículas MTIO a orbitales metálicos 3d vacantes y de orbitales metálicos 4 s completos a LUMO69. La transferencia de electrones de las moléculas inhibidoras reduce el ritmo al que se disuelve el metal anódico al tiempo que aumenta la estructura electrónica en las ubicaciones anódicas del sustrato metálico. Sin embargo, los sitios catódicos donde se chocan los iones de hidrógeno adolecen de una falta de estructura electrónica debido a la donación de retroelectrones.

Por lo tanto, las propiedades inhibidoras de tipo mixto de las moléculas MTIO pueden describirse mediante dos transmisiones eléctricas diferentes directas. Se forma un recubrimiento inhibidor de iones metálicos pasivos en la superficie de la muestra de sustrato metálico como resultado de la unión de las moléculas MTIO de los átomos de Fe para formar complejos metálicos, lo que evita una mayor corrosión. El anillo heterocíclico puede tener un impacto sustancial en todo el proceso de adsorción incluso si no está íntimamente implicado en la transferencia de carga durante la adsorción. Aunque la brecha de energía (∆E) normalmente se expande, el EHOMO es significativo y el ELUMO es notablemente bajo. Como lo muestra la fracción de donación electrónica (∆N), el impacto de la donación de electrones de las moléculas de MTIO al Fe es comparativamente bastante generalizado que el de la donación retroactiva del acero al inhibidor. Según Elnga y sus colegas, siempre que ∆N es positivo, los electrones que se donan al hierro70, facilitados por la electronegatividad reducida (χ) de MTIO, aumentan el rendimiento inhibidor de MTIO. Si la suavidad global de otros compuestos (σ) es mayor, MTIO puede interactuar con ellos de formas cada vez más complejas. El momento dipolar es un factor adicional significativo que contribuye a mejorar la relación electrostática entre dos componentes interrelacionados. Cuanto más fuerte sea el contacto electrostático entre MTIO y los diversos sustratos de iones metálicos, mayor será el momento dipolar de MTIO.

Es un procedimiento regular para cuantificar las cargas atómicas dentro del compuesto y encontrar el sitio activo del inhibidor utilizando las cargas de Mulliken. Además, el potencial de un heteroátomo para la adsorción de donaciones en un sustrato metálico aumenta con la carga negativa de los átomos. Debido a sus cargas atómicas significativas (S(17) = −0.862, N(1) = −0.123, N(14) = −0.377, O(10) = −0.467), se cree que los átomos de nitrógeno y oxígeno ser responsable de adsorber el metal. Los cargos de Mulliken del MTIO se muestran en la Tabla 7.

La adsorción de moléculas inhibidoras sobre la superficie metálica está influenciada por varios factores, incluyendo su estructura química, cargas atómicas, comportamiento en medio ácido e interacción con las propiedades superficiales del sustrato metálico. Las técnicas EIS, PDP y de pérdida de peso revelaron que las partículas de MTIO retardan/inhiben considerablemente la corrosión del sustrato metálico. Las exploraciones de isotermas de adsorción71,72,73 también confirmaron los supuestos del modelo de adsorción de Langmuir sobre cómo las partículas de MTIO se adsorben en el sustrato metálico. La adsorción química sobre el sustrato metálico se ve facilitada por pares de electrones de heteroátomos en el MTIO. La figura 12 muestra el mecanismo propuesto para la protección contra la corrosión de sustratos metálicos en un medio ácido.

Mecanismo de inhibición sugerido del sustrato metálico en una solución ácida.

Este trabajo tuvo como objetivo investigar el efecto inhibitorio de un compuesto específico, MTIO, sobre la corrosión del acero dulce en solución de ácido clorhídrico. El estudio exploró el impacto de la temperatura y la concentración del inhibidor en el comportamiento de la corrosión utilizando varios métodos, como pérdida de peso, espectroscopia de impedancia electroquímica y técnicas de polarización potenciodinámica. Los resultados indicaron que MTIO mostró propiedades de inhibición prometedoras, reduciendo significativamente la tasa de corrosión del acero dulce. Por tanto, uno de los principales problemas que resuelve este trabajo es el desarrollo de un inhibidor eficaz de la corrosión del acero dulce en solución de ácido clorhídrico74,75.

Primero, investiga las propiedades inhibidoras del MTIO sobre la corrosión del acero dulce en soluciones ácidas, que es un tema relevante en el campo de la ciencia e ingeniería de la corrosión76,77. En segundo lugar, aplica varias técnicas analíticas, como la espectroscopia de impedancia electroquímica, la polarización potenciodinámica y las mediciones de pérdida de peso, para evaluar exhaustivamente la eficacia inhibidora de MTIO. En tercer lugar, el estudio proporciona información sobre los aspectos cinéticos y termodinámicos del proceso de inhibición, que pueden contribuir al desarrollo de inhibidores de la corrosión nuevos y eficaces. Finalmente, los resultados de este estudio podrían tener implicaciones prácticas para la selección y aplicación de inhibidores de corrosión en diversas industrias, como la del petróleo y el gas, la construcción y el transporte.

La importancia de este trabajo en industrias reales radica en el desarrollo de inhibidores nuevos, eficaces y respetuosos con el medio ambiente para la protección del acero dulce en medios ácidos. El acero dulce se usa ampliamente en diversas aplicaciones industriales y su corrosión puede provocar pérdidas económicas significativas. Mediante el desarrollo de inhibidores efectivos, las industrias pueden prevenir la corrosión y prolongar la vida útil del acero dulce, lo que genera ahorros de costos y mejora la eficiencia operativa. Además, el uso de inhibidores ecológicos se alinea con la creciente demanda de prácticas sostenibles y ecológicas en la industria. En general, este trabajo puede contribuir al desarrollo de estrategias de protección contra la corrosión más eficientes y sostenibles en las industrias reales.

Las contribuciones novedosas y los avances realizados en el nuevo trabajo son:

El uso de un nuevo inhibidor, MTIO, para proteger el acero dulce de la corrosión en medios ácidos.

La investigación de las propiedades inhibidoras de MTIO utilizando una combinación de técnicas de análisis de superficie, electroquímicas y de pérdida de peso.

Determinación de los parámetros cinético-termodinámicos del proceso de corrosión y mecanismo de inhibición mediante curvas de polarización de Tafel.

La observación de partículas de MTIO que se adhieren a la superficie de la muestra a través de la caída de Cdl y el aumento de Rct en las pruebas de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS).

La comparación de las propiedades inhibidoras de MTIO con otros inhibidores conocidos, como bencimidazol, imidazol y tiourea.

La evaluación del efecto de la temperatura y la concentración en la eficiencia de inhibición de MTIO.

La investigación de la morfología superficial y la composición de las muestras de acero dulce antes y después de la exposición a medios corrosivos mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDX).

Estas contribuciones representan avances en el campo de la inhibición de la corrosión y brindan nuevos conocimientos sobre el uso de MTIO como un inhibidor eficaz para la protección del acero dulce en medios ácidos.

MTIO exhibe propiedades de barrera significativas para muestras de sustrato metálico en medios corrosivos debido a los centros de adsorción altamente eficientes y efectivos presentes, como los enlaces O, N, S y pi. Estos centros impiden las ubicaciones activas en la superficie de la muestra. Las siguientes son las principales conclusiones:

En los medios corrosivos, MTIO demostró una excelente eficacia anticorrosiva en sustratos metálicos con una eficiencia inhibidora del 96,9 % a 303 K, determinada por el método de pérdida de peso.

Las partículas de MTIO se adsorben químicamente y se unen débilmente a los sustratos metálicos, y el rendimiento inhibidor disminuye a medida que aumenta la temperatura. El rendimiento inhibidor aumenta con el aumento de la concentración de MTIO y se reduce con el aumento de la temperatura. A 303 K en una solución de HCl 1 M, el mayor rendimiento inhibidor fue del 96,9 %.

El modelo \({\Delta G}_{ads}^{0}\) predice adsorciones químicas y físicas espontáneas. MTIO reduce la corrosión del sustrato metálico al generar una película protectora de partículas de MTIO en la interfaz acero-electrolito.

La disminución de la capacitancia de doble capa (\({C}_{dl}\)) y el aumento de la resistencia de transferencia de carga (\({R}_{ct}\)) indican que las partículas de MTIO se adhieren a la superficie de la probeta, formando una capa protectora que dificulta el proceso de corrosión. Este comportamiento es consistente con los resultados obtenidos de otras técnicas de medición de la corrosión, como la pérdida de peso y las curvas de polarización, que también mostraron que el inhibidor de MTIO fue capaz de proteger eficazmente el sustrato metálico contra la corrosión. Por tanto, la conclusión que se extrae de este punto es que las partículas de MTIO se adhieren a la superficie de la muestra y forman una capa protectora eficaz que contribuye a la excelente eficacia anticorrosiva del inhibidor de MTIO.

Además, las imágenes SEM muestran que el MTIO evita que la superficie metálica sufra un ataque corrosivo.

Los cálculos químicos cuánticos muestran que MTIO utiliza oxígeno, azufre y nitrógeno para adsorberse en la superficie de la muestra analizada. Los resultados del análisis de las simulaciones coincidieron con las observaciones de laboratorio y permitieron comprender la estructura electrónica de las partículas de MTIO y su comportamiento de adsorción en el sustrato metálico.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Los autores agradecen el apoyo brindado por la Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM).

Universiti Kebangsaan Malaysia proporcionó fondos para una parte del estudio bajo el siguiente código: GUP-2020-012.

Departamento de Ingeniería de Materiales, Universidad de Tecnología de Irak, PO Box: 10001, Bagdad, Irak

nadia betty

Departamento de Ingeniería Química y de Procesos, Facultad de Ingeniería y Entorno Construido, Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM), 43000, Bangi, Selangor, Malasia

Ahmed A. Al-Amiery y One Nor Roslam One Isaac

Centro de Tecnología de Energía y Energías Renovables, Universidad de Tecnología de Irak, Bagdad, 10001, Irak

Ahmed A. Al-Amiery

Universidad Al-Farahidi, Bagdad, 10001, Irak

Waleed Khalid Al-Azzawi

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Conceptualización, WNRWI; metodología, NB; software, NB; validación, WKA; análisis formal, WKA; investigación, AAA; recursos, WNRWI; curación de datos, NB; redacción—preparación del borrador original, AAA; redacción—revisión y edición, AAA; visualización, WKA; supervisión, WNRWI; administración de proyectos, NB; adquisición de fondos, WNRWI Todos los autores han leído y están de acuerdo con la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Ahmed A. Al-Amiery.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Betti, N., Al-Amiery, AA, Al-Azzawi, WK et al. Propiedades de inhibición de la corrosión del derivado de la base de Schiff contra el acero dulce en un entorno de HCl complementadas con investigaciones DFT. Informe científico 13, 8979 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36064-w

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Recibido: 26 enero 2023

Aceptado: 29 de mayo de 2023

Publicado: 02 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36064-w

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