Производные хиназолинона как эффективные ингибиторы коррозии углеродистой стали в среде соляной кислоты

Почему важно защищать повседневные металлы

От кузовов автомобилей и резервуаров до нефтепроводов и теплообменников — многие металлические конструкции, поддерживающие современную жизнь, изготовлены из недорогой и прочной углеродистой стали. Однако при контакте с агрессивными кислотами, применяемыми для очистки и технологической обработки, эта сталь может быстро разрушаться, ослабляя оборудование и увеличивая затраты на замену и обслуживание. В этом исследовании рассматриваются два недавно спроектированных органических молекулы, которые действуют как микроскопические щиты, образуя защитную пленку на поверхности стали и значительно замедляя подобного рода повреждения.

Как кислота разъедает сталь

Коррозия по сути — это постепенное возвращение металла к его изначальному, рудному состоянию. В кислотных растворах, таких как соляная кислота, это происходит через малые электрохимические реакции на поверхности стали: одни участки отдают атомы металла, другие способствуют образованию водорода. Промышленные процессы часто используют сильные кислоты для удаления ржавчины и накипи, но та же кислота атакует и саму сталь. Если не принимать мер, это приводит к истончению стенок, протечкам и даже катастрофическим отказам на производстве, с серьёзными последствиями для безопасности и экономики.

Новые молекулы, действующие как защитная оболочка

Исследователи сосредоточились на двух родственных органических соединениях, обозначенных 4-OPB и 4-HPB, основанных на химическом скелете хиназолинона. Эти молекулы содержат несколько атомов, таких как азот, кислород и сера, которые способны прочно сцепляться с железом в стали. При добавлении в очень малых количествах в раствор соляной кислоты они переходят из жидкости на поверхность металла и распространяются, образуя тонкий, плотно упакованный слой. Тесты по определению потери массы, когда образцы стали взвешивают до и после выдержки в растворе, показали, что эти соединения способны сократить потерю металла более чем на 90 процентов при комнатной температуре при использовании наивысшей проверенной концентрации.

Визуализация защитного слоя в действии

Чтобы оценить эффективность этой микроскопической защиты, команда использовала электрохимические методы, отслеживающие, насколько легко течёт ток, связанный с коррозией, на поверхности стали. И 4-OPB, и 4-HPB значительно сократили эти токи, подтвердив, что они замедляют как реакции растворения металла, так и образование водорода. Методы визуализации, такие как сканирующая электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия, дали наглядное сравнение «до и после»: сталь, выдержанная в чистой кислоте, выглядела грубой, растрескавшейся и сильно изъеденной, тогда как сталь, защищённая ингибиторами, была намного более гладкой и с меньшим числом дефектов. Химический анализ поверхности показал сигналы от элементов, входящих в состав молекул ингибитора, что является дополнительным доказательством образования защитной пленки.

Почему эти «щиты» так надёжно прилипают

Помимо экспериментов, учёные обратились к компьютерному моделированию, чтобы исследовать взаимодействие молекул со сталью на атомном уровне. Квантово-химические расчёты показали, что ключевые участки молекул могут отдавать электроны металлу, одновременно принимая часть электронной плотности обратно, что создаёт прочный химически связанный слой, а не просто слабое физическое покрытие. То, как молекулы ложатся плоско и покрывают поверхность, предсказанное Монте-Карло моделями, согласуется с высокой степенью защиты, наблюдаемой в лаборатории. Одна из молекул, 4-HPB, имеет дополнительную гидроксильную группу, повышающую её электронную плотность, что помогает ей ещё прочнее связываться и делает её чуть более эффективной, чем 4-OPB.

Что это значит для реального оборудования

Исследование показывает, что тщательно подобранные органические молекулы могут защищать углеродистую сталь от агрессивных кислот, образуя прочный самособирающийся барьер всего в несколько молекул толщиной. С практической точки зрения, использование крошечных количеств 4-OPB или 4-HPB может продлить срок службы оборудования, очищаемого кислотой, сократить незапланированные простои и уменьшить расходы. Поскольку эти соединения действуют главным образом за счёт прочного химического прикрепления к поверхности стали и следуют хорошо изученной модели адсорбции, они также предлагают основу для разработки следующего поколения, более экологичных ингибиторов коррозии, которые будут одновременно эффективными и легче интегрируемыми в существующие промышленные процессы.

Цитирование: Al-Surmi, A.A., Shaaban, M.S., El-Mekabaty, A. et al. Quinazolinone derivatives as suitable mitigator for corrosion inhibition of carbon steel in hydrochloric acid environment. Sci Rep 16, 14152 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-33549-8

Ключевые слова: коррозия углеродистой стали, ингибиторы кислотной коррозии, защитные молекулярные пленки, соединения хиназолинона, защита промышленного металла