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铜及铜合金通常具有良好的耐腐蚀性能,但在潮湿且含有SO2、H2S和Cl2的气体介质中容易被强烈腐蚀,在氨、铵盐、氯化物等溶液中也会出现明显的腐蚀现象。在众多防腐蚀措施中,添加缓蚀剂凶其具有诸多优点而成为当前最为有效的防腐蚀方法之一。本文以咪唑(IMD)、苯并咪唑(BIMD)和2-巯基苯并咪唑(MBIMD)缓蚀剂分子为研究对象,采用量子化学计算研究三种缓蚀剂对Cu的缓蚀性能。首先通过计算缓蚀剂分子的前线轨道、分子中各原子的Mulliken电荷分布、原子对前线轨道的贡献及Fukui指数,分析其反应活性位点:其次,构建缓蚀剂分子-表面-模型,考察分子以中性和去质子化的两种形式与Cu表面的相互作用以及去质子化的三种分子与铜的氧化物Cu2O表面的相互作用。研究结果如下:
三种缓蚀剂分子的前线轨道具有相同的分布中心,且亲核、亲电反应活性中心主要集中在N、S杂原子以及咪唑环和苯环的部分C原子上,分子结构的这种特点有利于缓蚀剂分子和金属表面空的d道形成双重键合作用,使缓蚀剂稳定地吸附于金属表面。
缓蚀剂分子以中性形式在Cu(Ⅲ)面吸附时,可形成较弱的垂直化学吸附。分子和表面间的相互作用不仅取决于分子中的杂原子和表面的Cu成键,而且与分子最低端的H和Cu作用形成X-Hmetal氢键(X=C or S)有关,这两种键共同发挥作用使得分子稳定吸附于Cu表面。分波态密度(PDOS)分析表明,N-Cu和S-Cu成键是轨道杂化所致。BIMD和MBIMD还可形成平行于Cu(Ⅲ)面的物理吸附,吸附强度略小于化学吸附。另外,去质子化形式的缓蚀剂分子能够在Cu(Ⅲ)面发生较强的化学吸附,其化学吸附能以IMD·＜BIMD·＜MBIMD·的顺序递增,这与实验测得的低浓度时三种缓蚀剂在氢氧化钠溶液中抑制铜腐蚀的缓蚀效率一致。去质子化的三个缓蚀剂分子不能平行吸附于Cu表面,而是通过N、S原子与Cu表面成键形成倾斜吸附。
去质子化的三种缓蚀剂分子均可在Cu2O(Ⅲ)面形成强烈的化学吸附,其吸附能强于在Cu(Ⅲ)表面的吸附,吸附构型、形变电荷密度和PDOS的分析表明,N-Cu和S-Cu成键是N、S原子中的s、p轨道分别发生了较强的杂化效应所致,而且分子中的N、S原子在Cu2O(Ⅲ)表面的杂化程度强于在Cu(Ⅲ)表面。缓蚀剂仅与Cu2O(Ⅲ)面的Cu成键,分子在Cu2O面的这种吸附有利于形成缓蚀剂-金属络合物,该络合物能够覆盖金属表面的活性中心,从而更好的抑制金属腐蚀。