Características de mitigación de la corrosión de algunos derivados novedosos de organoselenio tiourea para el decapado ácido del acero C1018 a través de estudios teóricos y experimentales

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9058 (2023) Citar este artículo

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Dos derivados de organoselenio tiourea, 1-(4-(metilselanil)fenil)-3-feniltiourea (DS036) y 1-(4-(bencilselanil)fenil)-3-feniltiourea (DS038) fueron producidos y clasificados usando FTIR y RMN (1H y 13C). La eficacia de los dos compuestos anteriores como inhibidores de la corrosión del acero C en HCl molar se evaluó utilizando técnicas de polarización potenciodinámica (PD) y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). Los hallazgos de PD indican que DS036 y DS038 tienen características de tipo mixto. Los resultados de EIS muestran que el aumento de su dosis no solo cambia la resistencia a la polarización del acero C de 18,53 a 363,64 y 463,15 Ω cm2, sino que también altera la capacitancia de doble capa de 710,9 a 49,7 y 20,5 μF cm−2 en caso de 1,0 mM de DS036 y DS038, respectivamente. A una dosis de 1,0 mM, los derivados de organoselenio tiourea mostraron la mayor eficacia de inhibición de 96,65% y 98,54%. La adsorción de la molécula inhibitoria prosiguió a lo largo de la isoterma de Langmuir en el sustrato de acero. La energía libre de adsorción del proceso de adsorción también se pretendía e indicaba una adsorción química y física combinada en la interfaz C-acero. Los estudios FE-SEM respaldan las capacidades protectoras y de adsorción de los sistemas inhibidores de moléculas basados en OSe. Los cálculos In Silico (simulaciones DFT y MC) exploraron la atracción entre los derivados de organoselenio tiourea estudiados y los aniones de solución corrosiva en una superficie de Fe (110). Los resultados obtenidos muestran que estos compuestos pueden formar una superficie protectora adecuada y controlar la velocidad de corrosión.

Las excelentes cualidades mecánicas hacen del acero al carbono (acero C) un material esencial con una amplia gama de usos en diferentes áreas, incluidos los sectores marítimo y petrolero1. Los aceros C se corroen fácilmente en ambientes ácidos, principalmente en ácido clorhídrico que se utiliza para el decapado industrial, el decapado con ácido, la limpieza y la acidificación de pozos de petróleo2. Se podría calcular que el costo de la pérdida anual alcanzaría los miles de millones de dólares3. Aunque se crearon muchas estrategias, incluido el recubrimiento y la deposición, para evitar la corrosión de los metales4,5,6,7, el uso de inhibidores de la corrosión sigue estando entre las mejores y más eficientes estrategias8,9. Los inhibidores de corrosión se distinguen por su fuerte capacidad de adhesión a superficies metálicas. La tasa de corrosión se reduce inmediatamente cuando se agrega el inhibidor en cantidades modestas, ya que previene rápidamente la corrosión10.

Debido a su abundancia en los centros de adsorción, como los heteroátomos (azufre, oxígeno y nitrógeno), las moléculas orgánicas se utilizan con frecuencia como inhibidores de corrosión eficientes para el acero dulce en condiciones acuosas. Esto hace que los inhibidores sean rentables7,11,12. Los contactos mutuos entre la superficie metálica y la capa orgánica, que están controlados por un mecanismo de adsorción, pueden ralentizar significativamente la velocidad de las reacciones de corrosión tanto anódica como catódica en la interfaz metal/solución13,14. Mientras que las técnicas electroquímicas como la espectroscopia de impedancia electroquímica y la polarización potenciodinámica pueden medir la tasa de corrosión, las simulaciones teóricas pueden medir las interacciones entre los metales y los inhibidores15.

Los híbridos de organoselenio (OSe) han ganado recientemente mucha atención como resultado de sus diversas aplicaciones, particularmente en química de materiales y medicina16,17. Las características sin precedentes y las propiedades redox del selenio (Se) aseguraron las posibles aplicaciones bioquímicas e industriales de los agentes OSe18. La menor electronegatividad y el mayor tamaño del Se en comparación con sus análogos azufre, nitrógeno y fósforo son las razones principales de su mayor polarizabilidad y, por lo tanto, de su nucleofilia17. En consecuencia, los compuestos de organoselenio (OSe) son generalmente buenos nucleófilos y poseen actividades catalíticas y quelantes potenciales17. A diferencia del azufre, el Se es un semiconductor y mostró propiedades fotoconductoras y fotovoltaicas, por lo que se usa ampliamente en la ciencia de los materiales y la electrónica, como células solares, baterías de iones de sodio, fotocélulas y medidores de luz17.

Durante las últimas décadas, se desarrollaron muchos inhibidores de la corrosión y han mostrado considerables actividades de inhibición; sin embargo, solo funcionan bien a temperatura ambiente y con bajas concentraciones de ácido8,9,10. Por lo tanto, los inhibidores que soportan condiciones duras, es decir, alta temperatura y ácido concentrado (> 15 % en peso de HCl) son muy necesarios en las soluciones de limpieza de tuberías y los fluidos acidificantes, así como en las industrias petroquímicas. Dentro de este contexto, las tioureas han mostrado una aplicación potencial para retardar la corrosión de los metales aluminio, cobre, ferroso, zinc y magnesio en diferentes medios agresivos al influir en las reacciones catódicas y anódicas. Actuaron como sitios de adsorción ideales en posibles inhibidores debido a su capacidad para compartir electrones libres con la plantilla de metal a través de sus dos átomos de nitrógeno y azufre, protegiendo así los metales de la corrosión ácida al evitar el área de superficie de contacto disponible con iones de hidrógeno16. Por otro lado, los compuestos OSe se consideran mejores inhibidores de la corrosión que sus homólogos organosulfurados debido a la mayor capacidad del Se para compartir sus electrones externos con los metales. Desafortunadamente, la eficacia anticorrosiva de los agentes OSe rara vez se discutió y se limitó a unos pocos ejemplos en la literatura. Recientemente, informamos diferentes inhibidores de corrosión de compuestos OSe solubles en agua a base de organoselenocianatos (I y II) y diseleniuro (III y IV) para acero reforzado en la solución de poro de hormigón simulado19. Además, desarrollamos varios híbridos de ácido antranílico anclados a OSe (V, VI y VII) como posibles inhibidores de la corrosión para el acero de la tubería J55 y la aleación de aluminio 606120. Además, también hemos informado tetrazoles basados en OSe (VIII y IX) como inhibidores de corrosión prometedores para las muestras de tubería de acero J55 durante la acidificación de pozos de petróleo (Fig. 1)21.

Híbridos de organoselenio con prometedoras propiedades de inhibición de la corrosión.

Por lo tanto, se prevé que una combinación adecuada de tiourea y compuestos de organoselenio mejoraría la actividad general de inhibición de la corrosión. En consecuencia, el presente estudio se centró en la preparación y la investigación estructural de derivados de organoselenio tiourea utilizando un método fácil y métodos espectroscópicos (FTIR, 1H NMR y 13C NMR). En consecuencia, el estudio involucró la estimación de los agentes OSe sintetizados como inhibidores de la corrosión del acero C en una solución de decapado utilizando varios métodos electroquímicos como PDP y EIS. Además, las restricciones de reactividad molecular tanto a nivel atómico como molecular se estudiaron mediante cálculos de DFT para tener en cuenta las interacciones inhibidor-metal, lo cual es importante para comprender la capacidad de inhibición de la corrosión. Las simulaciones de Monte Carlo explican minuciosamente la eficacia de cada inhibidor en relación con su orientación y estructura, así como el método por el cual un inhibidor se adhiere a las superficies metálicas.

En este trabajo se utilizó acero al carbono con la siguiente composición: P (0,046%), Si (0,35%), C (0,23%), Mn (1,42%), Cr (0,13%), Ni (0,034%) y Fe ( resto) con un área activa de ≈ 1 cm2 se utilizó como electrodo de trabajo y se rayó con varios grados de papel de lija (hasta el grado 1500), se desengrasó con acetona, se enjuagó con H2O bidestilada y se secó con tejidos débiles. Los experimentos se complementaron en solución molar de HCl en la no aparición y existencia de varias dosis de los compuestos organoselenio tiourea examinados DS036 y DS038. Para cada prueba, las concentraciones de los componentes se ordenaron de 2 × 10–5 a 1,0 × 10–3 M; se utilizó una solución recién desechada.

Los puntos de fusión se registraron en grados centígrados utilizando el instrumento Gallenkamp. Los espectros para el FTIR se registraron (KBr, ύ cm−1) en la Universidad King Faisal en el espectrofotómetro Mattson 5000 FTIR. Los espectros de RMN de 1H y RMN de 13C se midieron utilizando un espectrofotómetro Varian a 400 MHz y 500 MHz, empleando la referencia interna TMS y DMSO-d6 como disolventes. Se registraron los desplazamientos químicos (δ) en partes por millón con respecto al pico residual de disolventes. Los compuestos 2–5 se sintetizaron de acuerdo con nuestros informes de literatura (ver Fig. 2) (ver procedimientos experimentales detallados en los Materiales de apoyo)22,23,24,25,26,27,28,29.

Síntesis de los compuestos de organoselenio 2–5, DS036 y DS038. (a) Se obtuvo selenocianato 2 con un rendimiento del 88 % a partir de anilina (2,5 mmol), CH2(CN)2 (1,5 mmol), SeO2 (3 mmol) y DMSO (5 ml); (b) la diselenida 3 se sintetizó con un rendimiento del 82 % a partir de selenocianato 2 (0,5 mmol), NaOH (0,5 mmol) y etanol (6 ml); (c) Se obtuvo seleniuro 4 con un rendimiento del 57 % a partir de diseleniuro 3 (1 mmol), yoduro de metilo (2,2 mmol) y EtOH (20 ml); (d) Se obtuvo seleniuro 5 con un rendimiento del 85 % a partir de diseleniuro 3 (1 mmol), cloruro de bencilo (2,2 mmol) y EtOH (20 ml); (e) se obtuvo tiourea DS036 con un rendimiento del 87 % a partir de seleniuro 4 (1 mmol), isotiocianato de fenilo (1,2 mmol) y EtOH (10 ml); (f) Se obtuvo tiourea DS038 con un rendimiento del 89 % a partir de seleniuro 5 (1 mmol), isotiocianato de fenilo (1,2 mmol) y EtOH (10 ml).

Los derivados de tiourea OSe DS036 y DS038 se sintetizaron eficientemente a partir de productos químicos fácilmente disponibles (p. ej., anilina, isotiocianato de fenilo, SeO2). Todas las reacciones fueron sencillas y transcurrieron sin problemas con análisis clásicos y sencillos. Los derivados de tiourea OSe DS036 y DS038 se obtuvieron con rendimientos de moderados a altos (57–89 %), así como con alta pureza, ya que recristalizaron de manera eficiente en etanol sin necesidad de un aislamiento sofisticado mediante cromatografía en columna. Además, el DS036 y el DS038 tienen diferentes centros aceptores de protones (p. ej., nitrógeno, azufre y Se) y esta podría ser la razón de su buena solubilidad en la solución de HCl. De hecho, también son fácilmente solubles en diferentes disolventes orgánicos como acetona, DMF y DMSO.

Curiosamente, se informó que muchas reacciones de organoselenio avanzan más rápido en el agua y, por lo tanto, vale la pena investigar más a fondo la síntesis de DS036 y DS038 en condiciones verdes en el futuro una vez que se establezcan como inhibidores potenciales.

A una solución de seleniuro orgánico 4 ó 5 (1 mmol) en (10 ml) de etanol, se añadió isotiocianato de fenilo (1,2 mmol) y la mezcla se calentó a reflujo durante 6 h. El precipitado formado se filtró y se lavó con etanol y agua. Los derivados de tiourea se recristalizaron en etanol y se obtuvieron con suficiente pureza, y no se necesitaron más purificaciones.

El compuesto DS036 se sintetizó a partir de 4-(metilselanil)anilina de metilo (4) (1 mmol, 187 mg) e isotiocianato de fenilo (1,2 mmol, 162 mg). La reacción se siguió por TLC (EtOAc/hexano 1:2; Rf = 0,25) y se aisló como un sólido blanco con un rendimiento del 87 % (280,1 mg). El compuesto DS036 se recristalizó en etanol como cristales blancos y su MP fue de 161 a 162 °C. IR (FT‐IR, cm−1): 3199, 3025, 3001, 1685, 1599, 1522, 1449; RMN 1H (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). RMN 13C (101 MHz, DMSO) δ 180,03, 139,90, 138,13, 130,37, 128,94, 127,24, 125,02, 124,95, 124,15, 7,38; MS (ESI): m/z = encontrado 345,0 (M+ + Na), 321 (M+–H), 323 (M+ + H); calc. 322.0

El compuesto DS038 se sintetizó a partir de 4-(bencilselanil)anilina (5) (1 mmol, 263 mg) e isotiocianato de fenilo (1,2 mmol, 162 mg). La reacción se siguió por TLC (EtOAc/hexano 1:2; Rf = 0,25) y se aisló como un sólido blanco con un rendimiento del 89 % (354 mg). El compuesto DS038 se recristalizó en etanol como cristales grises y su MP fue de 156 a 158 °C. IR (FT‐IR, cm−1): 3198, 3022, 3000, 1599, 1588, 1522, 1449; RMN de 1H (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). RMN 13C (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, 124,1 4, 31,43; EM (ESI): m/z = encontrado 421,0 (M+ + Na), 397 (M+-H), 399 (M+ + H); calc. 398.04.

Las muestras de acero al carbono utilizadas en los experimentos EIS y PDP. Todas las corridas experimentales se realizaron con la ayuda de un sistema de tres electrodos de celda electroquímica, que se conectó a una estación de trabajo electroquímica de potenciostato/galvanostato/ZRA (Referencia 600+) de Gamry a 298 K. El electrodo de trabajo estaba hecho de acero al carbono, el los contraelectrodos estaban hechos de lámina de platino y el electrodo de referencia estaba hecho de plata/cloruro de plata (Ag/AgCl). El examen EIS se logró en una circunstancia potenciostática en un rango de frecuencia de 0,1 Hz a 100 kHz con una amplitud de señal de CA de 10 mV y con un potencial de circuito abierto (EOCP). La respuesta EIS optimizada se ajustó utilizando la versión 3.4 del software Z-view. Después de la optimización EIS, las mediciones de PDP se realizaron en las mismas condiciones optimizadas, donde el potencial se barrió a una velocidad de 1,0 mV s−1 en EOCP, principalmente desde ± 250,0 mV frente a EOCP. El procedimiento de las pruebas de velocidad de corrosión LPR fue similar a los definidos en nuestro trabajo anterior10. Para cada corrida del experimento, se registraron tres lecturas duplicadas.

Utilizamos el programa DMOL330 del paquete Materials Studio31, que está destinado a la implementación de cálculos de teoría funcional de densidad (DFT) a gran escala, para realizar cálculos de conglomerados. Los cálculos de seudópodos de semi-núcleo DFT (DSPP) se realizaron utilizando conjuntos de bases numéricas dobles y teoría funcional de polarización (DNP). Los conjuntos de bases gaussianas 6-31G y los conjuntos de bases DNP son de calidad equivalente32,33. Basado en la aproximación de gradiente generalizado (GGA), el funcional RPBE34 es actualmente el mejor funcional de correlación de intercambio35 y se utiliza para tener en cuenta los efectos del intercambio y la correlación de electrones. No hubo restricciones de simetría al realizar la optimización geométrica.

Al realizar experimentos de Monte Carlo en el exterior de Fe (110), el localizador de adsorción reveló las formaciones de adsorción adecuadas de las formas protonadas de los derivados de tiourea base de organoselenio para simulaciones de MC36. La energía de las partículas de los derivados de la tiourea se mejoró utilizando el motor de simulación clásico Forcite37. Esto se hizo para calcular la capacidad de inhibición de los derivados de organoselenio. Los derivados de organoselenio, HCl y Fe externo (110) se adsorbieron dentro de un ajuste de límite periódico en una caja simulada con dimensiones de 24,82 °A × 24,82 °A y 38,24 °A. Los estudios de simulación universal con un campo de fuerza se realizaron para simular el rendimiento de adsorción de derivados de tiourea a base de organoselenio en la superficie de Fe (110).

Se prepararon 1-(4-(metilselanil)fenil)-3-feniltiourea (DS036) y 1-(4-(bencilselanil)fenil)-3-feniltiourea (DS038) con buenos rendimientos a partir de la reacción de isotiocianato de fenilo con 4-( metilselanil)anilina (4) y 4-(bencilselanil)anilina (5), respectivamente (Fig. 2).

La corriente de corrosión (jcor) disminuyó considerablemente después de agregar los inhibidores de corrosión DS036 y DS038, y el potencial de corrosión (Ecor) también cambió notablemente en una dirección negativa o positiva, como se ve en los diagramas de polarización de Tafel en la Fig. 3. En comparación En el diagrama no inhibido, la forma de la curva del área del ánodo restante es extremadamente importante además de la curva de polarización con una concentración de DS036 y DS038 de 0,002 mM. La pendiente de la curva de polarización aumenta rápidamente en las curvas de la curva de Tafel a concentraciones de 1,0 mM. El hombro en la curva de polarización está asociado con la complejidad de adsorción y la ruta de desorción del componente activo en el medio y el mecanismo de reacción de ánodo y cátodo que obstaculiza38. La región del cátodo de todas las curvas de polarización tiene una forma notablemente similar, lo que demuestra que la adición de los derivados OSe DS036 y DS038 no tiene efecto sobre el mecanismo de reacción de reducción del oxígeno disuelto. A medida que aumenta la dosis de DS036 y DS038, el jcor en el área del cátodo disminuye regularmente, lo que indica que esta capa de barrera adsorbida por DS036 y DS038 en la superficie de acero C podría disminuir el centro eficiente de reducción de O2 en la interfaz de metal, y con el aumento de la dosis de DS036 y DS038, el desarrollo de una capa protectora más gruesa provocará centros de reducción de oxígeno menos activos, lo que dará como resultado una jcor inferior.

Gráficas de PDP para acero C en solución molar de HCl sin y con diferentes concentraciones de compuestos de tiourea basados en OSe (a) DS036 y (b) DS038.

La corriente de corrosión del electrodo de acero C disminuyó gradualmente cuando la concentración de DS036 y DS038 es baja (0,02 mM), lo que indica que solo una pequeña cantidad de compuestos DS036 y DS038 se adhieren a la superficie de acero C en este momento. Aunque hay un ligero efecto de inhibición de la corrosión, esto no es aceptable para alterar el mecanismo de reacción de la disolución del metal del ánodo de acero C. Este comportamiento coincide con la aparición de una película de difusión en la superficie de acero C en los estudios EIS, que se discutirán más adelante. Cuando la dosis de DS036 y DS038 supera los 0,50 mM, hay suficientes moléculas de DS036 y DS038 en el medio para formar una capa protectora más densa en la superficie del acero C, evitando que se deteriore.

Las corrientes de cátodo y ánodo de todas las curvas de polarización que contienen DS036 y DS038 tienden a disminuir, lo que demuestra que estas moléculas bloquean su respuesta a las regiones de cátodo y ánodo de la superficie de acero C. Como resultado, estas moléculas son inhibidores de corrosión mixtos para acero al carbono.

Para reducir el error cuando se usa el método de extrapolación de Tafel para ajustar los datos de la curva de polarización, la región del ánodo de la curva de polarización no participa en el ajuste. Esto se debe a que el hierro de la superficie del acero C en la región del ánodo se disolverá hasta cierto punto y la superficie del metal es relativamente rugosa39. Los valores de jcor se ajustan utilizando la curva de polarización de la región del cátodo. Los parámetros apropiados se revelan en la Tabla 1 que contiene Ecor, jcor, βc y βa (pendiente de Tafel catódica y anódica), y la eficiencia de inhibición (ηi/%) de la gráfica de polarización de Tafel está prevista por la siguiente ecuación 40:

Entre ellos, jcor,0 y jcor,i son las densidades de corriente de corrosión para electrodos de acero C en el blanco sin y con moléculas DS036 y DS038, respectivamente. Como puede observarse en la Tabla 1, con el aumento de las dosis de DS036 y DS038, el jcor del acero al carbono también disminuye y el ηi/% aumenta progresivamente. Cuando la dosis de DS036 y DS038 alcanzó 0,002 mM, el ηi/% de DS036 y DS038 mejoró significativamente y el ηi/% alcanzó el 42,33 y el 47,53%, respectivamente. Cuando la dosis de DS036 y DS038 alcanza 1,0 mM, los jcor son 27,52 y 11,99 μA/cm2, y el ηi/% alcanza 96,65 y 98,54%, respectivamente. Los resultados son significativamente consistentes con los de EIS.

Se llevó a cabo EIS para examinar más a fondo el mecanismo de inhibición de la corrosión de las moléculas DS036 y DS038 en el acero al carbono. El OCP había alcanzado una condición estable luego de 60 minutos de inmersión de la muestra de acero C en HCl molar sin y con varias concentraciones de DS036 y DS038 a 298 K. Con base en esto, los diagramas de Nyquist y Bode para el electrodo de acero C en se obtuvo un OCP constante y se muestran en las Figs. 4, 5. Las Figuras 4 y 5 muestran los resultados del EIS obtenidos en los módulos de Nyquist y Bode, respectivamente. Esta figura muestra claramente que todos los espectros de impedancia tienen un solo bucle capacitivo, lo que demuestra que el proceso de transferencia de carga es el principal responsable de controlar la corrosión del acero C en HCl molar con y sin inhibidores y se asocia regularmente con el rendimiento de la doble capa41. Además, estos diagramas son idénticos para todas las concentraciones probadas, lo que demuestra que el mecanismo de corrosión no ha cambiado42. La dispersión de frecuencia de la impedancia interfacial también puede ser la culpable de que estos gráficos de Nyquist no sean semicírculos perfectos43. La falta de homogeneidad química, la rugosidad de la superficie y el proceso de adsorción-desorción de las moléculas inhibidoras en las superficies de acero al carbono contribuyen a este fenómeno44. Además, el diámetro del semicírculo en la aparición de los inhibidores DS036 y DS038 es mayor que el observado en un HCl molar (solución en blanco) y crece con una dosis creciente de inhibidor, lo que podría estar relacionado con la expansión de la cobertura superficial de compuestos inhibidores en la interfaz de acero C.

Diagrama de Nyquist del electrodo de acero C en la solución de HCl molar en blanco y con la adición de concentraciones variables (A) DS036 y (B) DS038 a 298 K.

Diagrama de Bode del electrodo de acero C en la solución de HCl molar en blanco y con la adición de concentraciones variables (A) DS036 y (B) DS038 a 298 K.

La Figura 5 muestra los módulos de impedancia de Bode apropiados para electrodos de acero C sumergidos en HCl molar con y sin varias dosis de inhibidor en su OCP. El aumento de la impedancia absoluta a bajas frecuencias en el diagrama de Bode confirma la mayor protección con el aumento de la concentración de inhibidor43. La concentración de inhibidores de DS036 y DS038 en HCl 1,0 M aumenta, como lo indica un aumento en la impedancia absoluta. Esto indica un comportamiento inhibidor superior porque se adsorben más moléculas inhibidoras en la superficie de acero C en concentraciones mayores45.

La figura 6 muestra la comparación de los diagramas de Nyquist (A, B) y Bode (C, D) (puntos negros) medidos para muestras de acero sumergidas en HCl y simuladas (líneas rojas) para sistemas inhibidos y no inhibidos. Se usó un circuito electroquímico equivalente (EEC) en el ajuste de los datos para electrodos no inhibidos (E) y electrodos inhibidos (F), donde Rs es la resistencia del electrolito, CPE (Y0, alfa) denota un elemento de fase constante y Rp denota la resistencia de polarización (Rp = Rct (resistencia de transferencia de carga) + Rf (resistencia de película)) además de la capacitancia de película (Cads) y la resistencia del inhibidor (Rads) en el caso del sistema inhibido.

Comparación de los diagramas de Nyquist (A, B) y Bode (C, D) (puntos negros) medidos para probetas de acero sumergidas en HCl y las simuladas (líneas rojas) para sistemas inhibidos y no inhibidos. EEC utilizado en el ajuste de datos para el electrodo desinhibido (E) y el electrodo inhibido (F).

El elemento de CPE se utiliza para aclarar la depresión del semicírculo de capacitancia, que coincide con la falta de homogeneidad de la superficie resultante de las impurezas, la rugosidad de la superficie, los límites de grano, los desplazamientos, la adsorción aditiva, el desarrollo de una película porosa, etc. La función de impedancia CPE se caracteriza por lo siguiente Ecuación 46:

donde j representa el número imaginario (j2 = −1), Q significa la magnitud del CPE y ω caracteriza la frecuencia angular. α personifica la restricción de desviación (−1 ≤ α ≤ + 1), que tiene el significado de un cambio de fase. El CPE denota una resistencia pura cuando α = 0, un capacitor puro cuando α = + 1 y un inductor cuando α = −147. Además, se utilizó la siguiente ecuación para obtener las capacitancias de doble capa, Cdl, para un circuito que tiene un CPE48:

donde ωmax es el valor de frecuencia máxima en la parte imaginaria del rango EIS. Los valores de los parámetros electroquímicos como n, Rs, Rp, Cdl, Y0 y ηE/% (capacidad de inhibición) de DS036 y DS038 se obtuvieron de EIS y se registraron en la Tabla 2. En la aparición de DS036 y DS038, los valores de n se encuentran en el rango de 0.792 a 0.884 y estos valores son más que la solución desinhibida (0.717). Los valores más altos de n en los sistemas que contienen inhibidores muestran que las moléculas DS036 y DS038 producen una película protectora sobre la superficie del acero C y progresan en su homogeneidad10. A medida que aumenta la concentración del inhibidor, los valores de Rp aumentan y los valores de Cdl disminuyen. El Rp superior (363,64 Ω cm2 para DS036 y 463,15 Ω cm2 para DS038) se ha encontrado en una dosis óptima (1,0 mM). La adsorción de inhibidores da como resultado un aumento en los valores de Rp, lo que sugiere una reducción en la superficie expuesta. Sin embargo, una caída en Cdl, que podría ser provocada por una reducción en la constante dieléctrica local y/o un aumento en el espesor de la doble capa eléctrica, sugiere que los inhibidores DS036 y DS038 actúan por adsorción en la interfase metal/medio. . Cuando la concentración de estos derivados basados en OSe supera 1,0 mM, los valores de eficacia inhibitoria ascienden al 94,9% para DS036 y al 95,9% para DS038. Estos hallazgos demuestran una vez más que los compuestos preparados tienen un rendimiento inhibidor efectivo del acero C en solución de HCl y ηE/% sigue el orden: DS038 > DS036. Es importante señalar que las eficiencias inhibidoras determinadas por mediciones electroquímicas están esencialmente de acuerdo con las determinadas por PDP, como se indica en la Tabla 1.

El efecto de la temperatura sobre la corrosión del acero al carbono en un medio HCl en ausencia y existencia de diferentes dosis de inhibidor se ha examinado en el rango de temperatura (298 − 328 K) utilizando el método EIS. La Figura 7 muestra la relación entre la eficiencia de inhibición y la temperatura en (A) DS036 y (B) DS038 a diferentes concentraciones. La eficiencia de inhibición para DS036 cambió de 42,3 y 96,6% a 298 K a 39,1 y 98,2% a 328 K, en presencia de 2,0 × 10-5 y 1,0 × 10-3 M, respectivamente (Fig. 7A). Mientras que, en presencia del compuesto DS038, la eficiencia de inhibición se alteró de 47,5 y 98,54 % a 298 K a 42,2 y 99,1 % a 328 K en presencia de 2,0 × 10-5 y 1,0 × 10-3 M, respectivamente, respectivamente (Fig. 7B). En consecuencia, los sistemas inhibidores DS036 y DS038 todavía muestran el rendimiento de protección restante para proteger el acero C de la corrosión mediante la producción de una capa de adsorción en la interfaz de metal, incluso a temperaturas más altas21. Al comparar la energía de activación (Ea) en presencia y ausencia del inhibidor de corrosión, se pueden aprender algunos detalles importantes sobre el mecanismo de adsorción del inhibidor. Se observa que los valores de Ea en presencia de derivados de organoselenio tiourea aumentan a medida que aumenta la concentración de inhibidor. Los datos demuestran que los valores de Ea del electrodo investigado en los medios corrosivos analizados en presencia de DS036 y DS038 (35,25 y 40,65 para DS036 y DS038 respectivamente) son mayores que los del medio no inhibido (12,97 kJ/mol). Como resultado, la presencia de un inhibidor eleva la barrera de energía de activación de la corrosión de los electrodos probados y, por lo tanto, reduce la velocidad de corrosión. Podemos concluir que el aumento de la energía de activación de la corrosión en presencia de DS036 y DS038 se atribuye comúnmente al desarrollo de una capa protectora de adsorción de carácter físico. El sistema inhibidor se adsorbe físicamente a temperaturas más bajas, mientras que la quimisorción es más ventajosa a medida que aumenta la temperatura21.

Relación entre la eficiencia de inhibición y la temperatura en (A) DS036 y (B) DS038 a diferentes concentraciones.

Para examinar la estabilidad de la película inhibidora de adsorción con el tiempo, se estudió la influencia del tiempo de exposición sobre la velocidad de corrosión. En la Fig. 8 se presentó el cambio de la velocidad de corrosión con el tiempo de duración para el acero C en HCl en blanco 1,0 M y que contenía 1,0 × 10–3 M de DS036 y DS038 a 25 °C. Después de una hora de inmersión en la solución corrosiva , los compuestos de organoselenio tiourea se introdujeron porque en este punto Ecor se estabilizó. Se descubrió que CR oscilaba entre 2,62 y 4,76 mm/año en el medio en blanco. El CR del acero C aumenta constantemente con la duración de la inmersión en el medio en blanco, como se muestra en la Fig. 8. El CR del acero C se redujo claramente de forma expresiva mediante la adición de los compuestos sintéticos de organoselenio tiourea. El CR se redujo de 4,62 a 0,21 y 0,06 mm/año en presencia de 1,0 × 10–3 M de DS036 y DS038, respectivamente, después de 20 h de inmersión. Podría acreditarse a su adsorción y formación de una capa protectora sobre la superficie metálica. Durante 2 a 20 h de exposición, el CR en DS036 y HCl inhibido por DS038 es prácticamente constante, lo que demuestra que la película de adsorción para DS036 y DS038 es estable y no se rompe con el tiempo.

Variante de la velocidad de corrosión con tiempo de duración para acero C en HCl blanco 1,0 M y que contiene 1,0 × 10–3 M de DS036 y DS038 a 25 °C.

Asumiendo que el efecto inhibidor es causado principalmente por la adsorción en el contacto metal/solución, nos permitirá determinar la isoterma de adsorción. La isoterma de adsorción puede dar detalles fundamentales sobre la adsorción de inhibidores en la superficie del metal. Los valores fraccionarios de cobertura de superficie (θ) en función de la concentración de inhibidor deben determinarse para derivar la isoterma. Los valores de cobertura de superficie (θ) podrían medirse simplemente a partir de los estudios de PDP mediante la relación eficiencia de inhibición/100. Por lo tanto, se requiere investigación empírica para establecer qué isoterma describe mejor la adsorción de inhibidores en la superficie del acero C. Se caracterizaron numerosos modelos de adsorción como las isotermas de Langmuir, Frumkin, Freundlich y Temkin. Entre los diferentes modelos de isotermas de adsorción probados, se seleccionó el más apropiado con la ayuda del coeficiente de correlación (R2) (Tabla S1). Se encontró que la isoterma de Langmuir era la más adecuada para los hallazgos experimentales, con todos los valores del coeficiente de correlación muy cerca de la unidad, lo que confirma que el proceso de adsorción de compuestos basados en OSe en C-Steel en HCl 1,0 M sigue el modelo de isoterma de Langmuir. El modelo de isoterma de Langmuir se describe mediante la siguiente ecuación 49:

donde Kads y Cinh son la constante de equilibrio de adsorción y la concentración molar del inhibidor. La figura 9 muestra una línea recta en el gráfico del logaritmo (Cinh/θ frente a Cinh). Los coeficientes de regresión lineal (R2) son casi equivalentes a 0,999 para los inhibidores DS036 y DS038, lo que indica que los compuestos examinados se adhieren a la isoterma de adsorción de Langmuir durante la adsorción en solución de HCl 1,0 M. La energía libre de adsorción (\(\Delta G_{ads}^{0}\)) está interrelacionada con los Kads con la siguiente ecuación 50,51:

donde el valor 55.5 es la concentración molar de H2O. Los valores de Kads y \(\Delta G_{ads}^{0}\) se calcularon a 298 K y. Se encontró que los valores de Kads eran 9.91 × 103 y 10.02 × 103 M−1 para los inhibidores DS036 y DS038, respectivamente. Además, se encontró que los valores de \(\Delta G_{ads}^{0}\) eran −32,74 y −32,81 kJ mol−1 para los inhibidores DS036 y DS038. La inestabilidad de la capa adsorbida en la superficie de acero C y la espontaneidad del proceso de adsorción fueron ambos establecidos por los valores negativos de \(\Delta G_{ads}^{0}\). Además, el alto valor \(\Delta G_{ads}^{0}\) del inhibidor DS038 demostró que se adsorbe más fuertemente en la superficie de acero C en HCl 1,0 M que la molécula DS036. Esto está bien alineado con el rango de valores de eficiencia inhibitoria descubiertos usando métodos electroquímicos. Es bien sabido que los valores de \(\Delta G_{ads}^{0}\) del orden de − 20 kJ mol−1 o inferiores sugieren fisisorción, mientras que los valores más negativos que − 40 kJ mol−1 incluyen el compartir o transferencia de electrones de las moléculas inhibidoras a la superficie del acero para formar un tipo de enlace coordinado (quimisorción). En este informe, los valores de \(\Delta G_{ads}^{0}\) que oscilan entre − 20 y − 40 kJ mol−1 obviamente especifican su adsorción química y física combinada en la interfaz C-acero52.

Modelo de adsorción de la isoterma de inhibidores de Langmuir (DS036 y DS038) en la superficie de acero C en HCl molar a 298 K.

El análisis FE-SEM del acero C realizado después de 20 h de exposición al HCl blanco (A) y 1.0 103 M DS038 se muestra en la Fig. 10A, B. La superficie del metal estaba severamente corroída y degradada, con algunas picaduras y cavidades profundas. como lo demuestran los exámenes minuciosos de la imagen FE-SEM adquirida en ausencia del inhibidor DS038 (Fig. 10A). La muestra de metal tiene una morfología superior y una interfaz suave en comparación con la superficie de acero C sumergida en el medio en blanco cuando el inhibidor DS038 está presente (Fig. 10B). De acuerdo con esto, el uso del inhibidor DS038 ralentiza la velocidad de corrosión al evitar que el acero C se disuelva. Esto indica una inhibición eficaz de la corrosión.

Imágenes FE-SEM para acero C en HCl 1,0 M en blanco (A) y que contienen compuesto DS038 1,0 × 10−3 M después de 20 h de inmersión.

La figura 11 muestra las estructuras optimizadas, incluidas las distribuciones HOMO y LUMO para derivados de tiourea a base de organoselenio. La Tabla 3 presenta los descriptores químicos cuánticos correspondientes. Según la teoría de los orbitales de frontera, las energías HOMO y LUMO53,54 explican las interacciones donante o aceptor en la interfaz entre la molécula inhibidora y el exterior del metal. En consecuencia, las lecturas altas y bajas de EHOMO y ELUMO, respectivamente, apuntan a una prohibición de corrosión que se ve reforzada por la presencia de los compuestos bajo investigación. En la Tabla 3, DS038 tiene un valor HOMO más alto de -4,56 eV en comparación con DS036 (-5,33 eV) mientras que en forma protonada fueron 5,06 y 5,19 eV para DS038 y DS036 respectivamente. Como se muestra en la Fig. 11, los niveles de HOMO para DS036 se ubicaron en el seloxi, tiol, imina y uno de los anillos de fenilo, lo que sugiere que los átomos de nitrógeno, Se y azufre eran las posiciones favorecidas para los ataques electrofílicos en el exterior del metal. . Los niveles de HOMO en DS038 se encontraron en las posiciones seloxi, tiol e imina, lo que implica que los átomos de nitrógeno, se y azufre eran las posiciones preferidas para los ataques electrofílicos en el exterior del metal. Esto podría aumentar la potencia de la prohibición causada por la adsorción de los derivados DS036 y DS038 en la superficie del acero. Por el contrario, el valor de ELUMO fue de -1,61 eV para DS038 (Tabla 3), que fue inferior a -1,66 eV para DS036. Observamos que las pequeñas diferencias en los valores entre los inhibidores demuestran las diferencias de actividad de inhibición baja de los inhibidores, donde se observó una mejor eficiencia de inhibición para DS038. Estos resultados muestran que las especies protonadas tienen una mayor propensión que las moléculas no protonadas a adsorberse en la superficie del acero C.

Las construcciones moleculares optimizadas, HOMO y LUMO para DS036 y DS038.

Se determinaron parámetros importantes, como la brecha de energía (∆E), HOMO, LUMO, la dureza global (η), la blandura (σ), la electronegatividad (χ) y la fracción de transferencia de electrones (∆N) a partir del cálculo de DFT de las ecuaciones. 6–1138,55.

donde la electronegatividad fue de 4,82 eV para el Fe se ha aplicado para el cálculo de la transferencia de electrones (∆N).

La brecha de energía (∆E) es un componente crucial para mejorar la capacidad de los derivados de organoselenio para suprimir la corrosión. Los valores más bajos de ∆E sugirieron mejores potencias inhibitorias56. La Tabla 3 muestra que DS038 tiene un valor de ∆E más bajo que DS036 (2,75 eV) y 3,67 eV. Esto sugirió una mayor propensión a la adsorción de DS038 en el exterior del acero C. Los valores más bajos de electronegatividad (χ) para DS038 revelaron que DS038 tenía una mayor capacidad para suministrar electrones al metal que DS03657. La estabilidad y la reactividad de un compuesto se pueden usar para determinar qué tan duro o blando es. Durante el proceso de adsorción, los productos químicos blandos, que son más reactivos que los duros, suministran fácilmente electrones a una muestra de acero C. Como resultado, funcionan eficazmente como inhibidores de la corrosión58. El DS038 tiene un valor mayor (0.68), mientras que el DS036 tiene un valor mayor, como se indica en la Tabla 3. (1.84). Esto demostró la simplicidad de DS038 en el suministro de electrones a la sustancia probada. Como resultado, surgió una alta potencia.

Los valores de ∆N demostraron la propensión de una partícula a dar electrones a la superficie. Un valor alto de ∆N indica que un inhibidor tiene una mayor capacidad de donación de electrones. Cuando ∆N 3.6 está presente, la fuerte capacidad de contribución de electrones mejora el rendimiento de prohibición59. Los valores determinados de N se muestran en la Tabla 3. El hecho de que el valor de ∆N de DS038 fuera mayor (0,60) que el de DS036 (0,36) sugirió que era más probable que DS038 contribuyera con electrones a la muestra en estudio.

Un aspecto poderoso que apoya la restricción de la corrosión es el momento dipolar60. Tanto una mejora en la energía de deformación como una mejora en la adsorción de un inhibidor sobre la superficie del acero están indicadas por un aumento en el momento dipolar. Por tanto, un aumento del momento dipolar potenciará la eficacia de la prohibición61. La Tabla 3 demuestra que DS038 tiene un momento dipolar mayor (4.15 Debye) que DS036 (3.51 Debye) mientras que 4.48, 3.71 Debye para DS038 y DS036 en el caso de forma protonada. Esto demostró la mayor propensión de DS038 a adsorberse en la superficie de acero C, lo que resultó en una mayor potencia de prohibición. Indicando que las interacciones dipolo-dipolo predominan más en la interacción entre la forma protonada y la interfase C-acero que en la interacción entre la superficie C-acero y la forma no protonada, los valores son mayores para las moléculas protonadas que para las no protonadas. -moléculas protonadas. Puede determinarse que las formas de derivados de tiourea a base de organoselenio protonados son más eficaces para resistir la corrosión que las formas de derivados de tiourea a base de organoselenio no protonados basándose en las características cuánticas calculadas anteriormente.

Las interacciones de los derivados de tiourea a base de organoselenio con la superficie de acero C y el mecanismo de adsorción se visualizaron mediante simulaciones de MC. Los arreglos de adsorción de derivados de organoselenio más plausibles en la muestra de acero se muestran en la Fig. 12. El módulo localizador de adsorción, que muestra la disposición suave y recomienda una mejora en la adsorción con la mayor cobertura de superficie, fue responsable de lograr esto. Además, la Tabla 4 recopila los resultados de las simulaciones de Monte Carlo. La Tabla 4 proporciona las energías de adsorción rígidas para compuestos de adsorbato relajados, energías de deformación de compuestos de adsorbato relajados y energías de adsorción de compuestos de adsorbato relajados62,63,64,65,66,67. En comparación con el DS036, el DS038 mostró un mayor valor negativo de energía de adsorción (−513,41 kcal mol−1) (−407,22 kcal mol−1). Esto demostró que el DS038 se adhirió a la superficie del acero al carbono con más fuerza que el DS036, formando una barrera adsorbida estable que inhibe la corrosión del acero al carbono e indica una tendencia de prohibición más fuerte para el DS038 que para el DS036.

El módulo localizador de adsorción logró la conformación máxima adecuada para la adsorción de DS036 y DS038 en sustrato de Fe (110).

Cuando se ignoró la energía del adsorbato, las cifras de dEads/dNi ayudaron a comprender la energía de la configuración del adsorbato metálico. Los valores más altos de dEads/dNi para DS038 (55,42 kcal mol-1), en comparación con DS036 (44,78 kcal mol-1), muestran que DS038 tuvo una adsorción mayor que DS036. Otra indicación de que DS038 y DS036 tienen una mayor afinidad por la adsorción que el HCl es el hecho de que las moléculas de HCl tienen una relación dEads/dNi de −3,06 kcal mol−1. Por lo tanto, DS038 y DS036 formaron una barrera de protección confiable y se adsorbieron irrevocablemente en la superficie de Fe. Las cifras de dEads/dNi ayudan a aclarar la energía de la disposición del adsorbato metálico cuando se ignora la energía del adsorbato. DS038 tuvo una mayor adsorción que DS036, como lo demuestran los valores más altos de dEads/dNi para DS038 (-55,42 kcal mol-1) en comparación con DS036 (-44,78 kcal mol-1). Además, el hecho de que las moléculas de HCl tengan un valor de dEads/dNi de -3,06 kcal mol-1 indica que DS038 y DS036 tienen una mayor afinidad por la adsorción que el HCl. Así, DS038 y DS036 crearon una sólida barrera protectora y se adsorbieron definitivamente sobre la superficie de Fe. Es interesante notar que estos resultados coinciden con la DFT anterior y los resultados empíricos.

Se sintetizaron derivados basados en OSe y se inspeccionó su desempeño de mitigación para el acero al carbono en una solución de decapado ácida a partir de características tanto teóricas como experimentales. Los resultados obtenidos muestran que estos compuestos pueden formar una superficie protectora adecuada y controlar la velocidad de corrosión. Las eficacias de inhibición son del 96,65 % y del 98,54 % en presencia de 1,0 mM de DS036 y DS038, respectivamente. Los compuestos basados en OSe sintetizados eran inhibidores de tipo mixto, según los datos de PD, y la eficacia de la inhibición aumentó con el aumento de las dosis de inhibidor. El Rp más alto (363,64 Ω cm2 para DS036 y 463,15 Ω cm2 para DS038) se ha encontrado a una dosis óptima (1,0 mM). Estas moléculas combinaron la adsorción por quimisorción y fisisorción en la superficie del acero C y siguieron las isotermas de adsorción de Langmuir. Los efectos del tiempo de inmersión y la temperatura reforzaron aún más el rendimiento de ambos compuestos basados en OSe sintetizados. El análisis FE-SEM reveló una superficie de electrodo más suave después de la adición de moléculas basadas en OSe, lo que demuestra que se había formado una película protectora para proteger el sustrato de acero del contacto con iones agresivos. Los resultados de las simulaciones de MC y los cálculos de DFT coincidieron con los hallazgos experimentales.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

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Los autores agradecen al Decanato de Investigación Científica, Vicepresidencia de Estudios de Posgrado e Investigación Científica de la Universidad King Faisal, Arabia Saudita, por el apoyo financiero en el marco de la vía de financiación anual (GRANT 3503). Los autores extienden su agradecimiento al Decanato de Investigación Científica de la Universidad Islámica Saudita Imam Mohammed Ibn por financiar este trabajo a través del Grupo de Investigación No. RG-21-09-80.

Esta investigación fue financiada por el Decanato de Investigación Científica, Arabia Saudita (GRANT3,503).

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad Rey Faisal, 31982, Al-Hasa, Arabia Saudita

Hany M. Abd El-Lateef, Mai M. Khalaf, Mohamed Gouda y Saad Shaaban

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Sohag, Sohag, 82524, Egipto

Hany M. Abd El-Lateef y Mai M. Khalaf

Facultad de Ciencias, Departamento de Química, Universidad Islámica Imam Mohammad Ibn Saud (IMSIU), 11623, Riyadh, Reino de Arabia Saudita

TA Yousef, Sayed H. Kenawy y Mortaga M. Abou-Krisha

Departamento de Drogas Tóxicas y Estupefacientes, Medicina Forense, Laboratorio de Mansoura, Organización Medicolegal, Ministerio de Justicia, Mansoura, Egipto

TA Yousef

Departamento de Refractarios, Cerámica y Materiales de Construcción, Centro Nacional de Investigación, El-Buhouth St., Dokki, Giza, 12622, Egipto

Sayed H. Kenawy

Departamento de Química, Universidad de South Valley, Qena, 83523, Egipto

Mortaga M. Abou-Krisha

Instituto de Química, Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg, Halle, Alemania

Mohamed Alasar

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de El Cairo, Giza, Egipto

Mohamed Alasar

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Mansoura, Mansoura, 35516, Egipto

Saad Shaaban

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Correspondencia a Hany M. Abd El-Lateef o Saad Shaaban.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Abd El-Lateef, HM, Khalaf, MM, Gouda, M. et al. Características de mitigación de la corrosión de algunos derivados novedosos de organoselenio tiourea para el decapado ácido del acero C1018 a través de un estudio experimental y teórico. Informe científico 13, 9058 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36222-0

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Recibido: 01 febrero 2023

Aceptado: 31 de mayo de 2023

Publicado: 03 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36222-0

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