色氨在中性盐溶液中的缓蚀性能

介绍

色氨（tryptamine hydrochloride, THC，又称盐酸色胺）作为一种含吲哚芳香环的氨基化合物，其分子结构中既带有可质子化的脂肪族氨基，又具有富 π 电子的吲哚共轭体系，具备与金属表面发生多位点吸附的结构基础。氨基酸类衍生物因含有氮、氧等杂原子与富电子官能团，可通过配位作用吸附于金属表面形成保护膜，同时具备生物可降解、低毒的特性。然而单独使用色氨时，在中性 3.5% 氯化钠（模拟海水）溶液中的缓蚀效率有限，难以满足高腐蚀环境下的防护需求。通过引入少量表面活性剂作为增效剂，利用二者的协同作用构建复合缓蚀体系，可在低添加量下实现优异的防护效果。

图一 色氨

对低碳钢的单独缓蚀

针对 3.5% NaCl 中性溶液中的低碳钢腐蚀体系，色氨的缓蚀效率随浓度升高与温度上升呈现逐步提升的规律。在 303K 温度条件下，当浓度从 5×10⁻⁶ M 升高至 1×10⁻² M 时，低碳钢的腐蚀速率从 5.65 mpy 降至 3.78 mpy，对应的缓蚀效率由 47.76% 提升至 65.01%；浓度超过 1×10⁻³ M 后，缓蚀效率的增长趋于平缓，这是由于金属表面的活性吸附位点逐渐被色胺分子占据，吸附达到饱和状态。温度对缓蚀性能的影响同样显著，当体系温度升高至 333K 时，1×10⁻² M 色氨的缓蚀效率可达 79.29%，表现出不同于常规物理吸附型缓蚀剂的温度特性，提示其吸附过程伴随化学作用的参与。

电化学阻抗谱（EIS）显示，随着盐酸色胺浓度增加，Nyquist 图的半圆直径持续增大，电荷转移电阻 Rp 显著升高，双电层电容 Cdl 逐步降低，表明缓蚀剂分子在钢 / 溶液界面形成了具有绝缘作用的吸附膜，阻碍了腐蚀电荷转移过程。动电位极化曲线表明，加入色氨后，腐蚀电位 Ecorr 向负方向明显偏移，阴极 Tafel 斜率变化更为显著，说明盐酸色胺属于阴极型缓蚀剂，主要通过抑制阴极的氧还原反应与析氢反应来减缓腐蚀速率，对阳极铁溶解过程也有一定的阻滞作用。

不同类型表面活性剂的协同缓蚀

在色氨体系中分别引入 5 ppm 的阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）、阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）与非离子表面活性剂曲拉通 X-100（TX-100）后，缓蚀性能均出现显著提升，三者的增效幅度存在明显差异，整体缓蚀效率顺序为：THC+TX-100 > THC+CTAB > THC+SDS > 单独 THC。

在 303K、1×10⁻² M 色氨的条件下，添加 SDS 后缓蚀效率从 65.01% 提升至 72.90%，添加 CTAB 后提升至 85.41%，而添加 TX-100 后缓蚀效率高达 95.98%，腐蚀速率仅为 0.43 mpy，较空白体系降低了一个数量级。通过协同参数 Sθ 对复配体系进行定量评价，三种表面活性剂与盐酸色胺的协同参数均大于 1，证实体系中存在正协同效应，而非两种物质缓蚀作用的简单加和。其中 TX-100 与色氨的协同效应最强，在 1×10⁻² M 浓度下协同参数可达 6.37，说明非离子表面活性剂与其分子间的相互作用更有利于形成致密稳定的吸附保护层。

不同表面活性剂的增效差异源于其带电性质与分子结构的区别。阴离子表面活性剂 SDS 依靠带负电的硫酸根基团，与质子化带正电的色氨分子发生静电吸引，促进缓蚀剂在金属表面的富集；阳离子表面活性剂 CTAB 则先通过自身的正电基团吸附于带负电的钢表面，再通过疏水碳链与色氨的吲哚环发生疏水作用与 π-π 堆积，构建双层吸附结构；非离子表面活性剂 TX-100 不含电离基团，可同时通过氢键、疏水相互作用与 π-π 共轭作用与色氨分子形成稳定的复合体系，在金属表面排列更紧密，缺陷更少，因此表现出最优的协同缓蚀效果。

吸附热力学

吸附等温线拟合结果表明，无论是否添加表面活性剂，色氨在低碳钢表面的吸附均符合 Langmuir 吸附等温模型，拟合相关系数 R² 接近 1，说明缓蚀剂分子在金属表面形成单分子层吸附，吸附位点均匀且分子间相互作用可忽略。添加表面活性剂后，吸附平衡常数 Kads 显著增大，其中 TX-100 复配体系的 Kads 可达 1×10⁵，远高于单独色氨的 2.94×10⁴，证明表面活性剂有效提升了缓蚀剂与金属表面的吸附亲和力。

热力学参数计算显示，色氨的吸附吉布斯自由能 ΔGads° 在 303K 时为 - 36.03 kJ/mol，温度升高至 333K 时变为 - 40.24 kJ/mol，数值处于物理吸附与化学吸附的临界区间，且随温度升高向化学吸附方向偏移，说明吸附过程同时包含静电作用与化学配位作用。吸附焓 ΔHads° 为正值（6.32 kJ/mol），证实吸附是吸热过程，这也解释了温度升高缓蚀效率反而上升的现象。吸附熵 ΔSads° 随温度升高略有降低，反映出缓蚀剂分子在金属表面有序排列，体系混乱度下降。

图二 在不同色氨浓度下MS的3.5%氯化钠替代阿累尼乌斯图

腐蚀动力学

腐蚀动力学分析表明，添加色氨后，低碳钢腐蚀的表观活化能 Ea 较空白体系有所降低，结合温度对缓蚀效率的影响规律，缓蚀剂分子与金属表面形成化学键合，降低了腐蚀反应的能垒，且温度升高会强化这种化学吸附作用，从而提升防护效果。

作用机理

在中性 NaCl 溶液中，色氨的氨基发生质子化带正电荷，通过静电引力吸附于带负电的低碳钢表面，同时吲哚环的 π 电子与金属表面的 d 轨道发生配位作用，形成初始吸附膜；加入表面活性剂后，不同类型的表面活性剂通过静电作用、氢键、疏水相互作用与 π-π 堆积等多重分子间作用力，与色氨分子协同组装，形成更致密、更稳定的双层或复合吸附膜，有效阻挡氯离子、水分子等腐蚀介质向金属表面的扩散，从而大幅提升缓蚀效率[1]。

参考文献

[1]Alqarni A S ,Hussein A M ,Alamry A K , et al.Enhancing the corrosion inhibition behavior of tryptamine hydrochloride using surfactant additives for mild steel in 3.5% NaCl solution[J].Surfaces and Interfaces,2025,62106178-106178.DOI:10.1016/J.SURFIN.2025.106178.