Études d'adsorption, de thermodynamique et de chimie quantique d'un liquide ionique qui inhibe la corrosion de l'acier au carbone dans des solutions de chlorure

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12536 (2022) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 06 février 2023

Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 11 octobre 2022

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Le but de ce travail réside dans l'utilisation de liquides ioniques comme inhibiteurs de corrosion en raison de la difficulté dans certains champs pétrolifères avec la solubilité des inhibiteurs de corrosion et ces matériaux peuvent être miscibles à l'eau et ainsi apporter une solution à de tels problèmes dans l'industrie. Le deuxième objectif concerne la moindre toxicité de ces composés par rapport aux inhibiteurs de corrosion les plus courants. L'étude a porté sur les performances d'inhibition de la corrosion du sulfonate de trifluorométhyle de 1-butyl-3-méthylimidazolium liquide ionique ([BMIm]TfO) pour l'acier au carbone dans des solutions de NaCl à 3,5 %. L'étude comprenait des investigations électrochimiques, d'adsorption et de chimie quantique. Les résultats ont montré que le [BMIm]TfO peut être considéré comme un inhibiteur de corrosion prometteur et que l'efficacité de l'inhibition s'intensifie à mesure que la concentration augmente. L'effet inhibiteur observé peut être corrélé à l'adsorption des espèces liquides ioniques et à la création de films protecteurs en surface. Le mode d'adsorption suit l'isotherme d'adsorption de Langmuir. Les résultats de polarisation ont montré que le liquide ionique [BMIm]TfO fonctionne comme un inhibiteur mixte. La dépendance de l'influence de la corrosion sur la température en présence et en l'absence de [BMIm]TfO a été démontrée dans la plage de température de 303 à 333 K à l'aide de données de polarisation. Les paramètres d'activation ont été déterminés et discutés. La performance d'inhibition observée de [BMIm]TfO a été corrélée avec les propriétés électroniques du liquide ionique à l'aide d'une étude de chimie quantique.

La corrosion est un problème sérieux et extrêmement coûteux, en particulier dans les opérations de production pétrochimique et pétrolière1,2. Outre le potentiel élevé d'utiliser des composants plus avancés résistants à la corrosion, les caisses en acier au carbone sont le principal matériau fabriqué utilisé pour la construction de l'énorme pipeline dans les différentes étapes de traitement du pétrole brut telles que l'extraction, la transmission et le stockage. Les tuyaux en acier au carbone ont été largement utilisés dans le transport des gaz et des liquides3,4. L'un des environnements les plus agressifs dans la production de pétrole et les processus de raffinage du pétrole est l'environnement d'eau salée qui contient différentes quantités de sels dissous, en particulier le chlorure de sodium5,6. Le film d'oxyde protecteur créé sur la surface peut se détériorer en présence d'ions chlorure basés sur un environnement agressif7,8.

Différents régimes d'atténuation de la corrosion peuvent être appliqués pour réduire les impacts nocifs de la corrosion. Parmi les techniques conventionnelles d'atténuation de la corrosion, l'utilisation d'inhibiteurs respectueux de l'environnement présente des avantages tels que, par exemple, une faisabilité élevée, une efficacité élevée et une minimisation des risques environnementaux9. Ces derniers temps, les liquides ioniques se sont révélés être des inhibiteurs efficaces et respectueux de l'environnement pour la corrosion de différents types de métaux et d'alliages dans des environnements corrosifs tels que des solutions basiques, acides ou salées10,11. Du fait de leur structure volumineuse et de la présence d'hétéroatomes, les liquides ioniques sont considérés comme de potentiels inhibiteurs de corrosion12.

Les liquides ioniques, en général, ont une tendance prometteuse à l'inhibition de la corrosion en raison de leur capacité de contact adsorbant avec la surface, qui forme des couches protectrices contre les milieux corrosifs. En général, la majorité des liquides ioniques présentent cette tendance. Les types de cations et d'anions présents dans les liquides ioniques ont une incidence directe sur les niveaux d'efficacité d'adsorption et d'inhibition qui peuvent être atteints avec ces liquides. Dans une étude récente, nous avons démontré que le trifluorométhylsulfonate de 1-butyl-1-méthylpyrrolidinium liquide ionique ([BMP]TfO) peut servir d'inhibiteur bifonctionnel à la fois pour la corrosion de l'acier au carbone dans des solutions de chlorure et pour la croissance des bactéries. Le [BMP]TfO inhibe les deux types de corrosion13. Il a également été montré que les liquides ioniques chlorure de 1-(2-hydroxyéthyl)-3-méthylimidazolinium et chlorure de 1-éthyl-3-méthyleimidazolinium sont des inhibiteurs de corrosion et des biocides efficaces. Ces résultats ont été publiés dans la revue Ionic Liquids14. Il a été montré que l'intégration du groupe hydroxy dans le cation imidazolium améliore l'impact de l'inhibition de la corrosion15. Dans cet article, les performances d'inhibition de la corrosion du liquide ionique [BMIm]TfO pour l'acier au carbone dans des solutions de NaCl à 3,5 % ont été démontrées. L'étude comprenait des investigations électrochimiques, d'adsorption et de chimie quantique.

Le [BMIm]TfO de haute pureté a été obtenu auprès de Io.Li.Tec.Co., Allemagne, et il a été utilisé tel que reçu. Des spécimens d'acier au carbone ayant des dimensions de (5,6 cm L, 2,7 cm W et 0,5 cm T) ont été utilisés pour les procédures standard des mesures de corrosion. Avant utilisation, les coupons d'acier ont été abrasés avec des papiers émeri appropriés pour donner une surface homogène. Une solution agressive de 3,5 % de NaCl a été préparée comme environnement corrosif simulé. Différentes concentrations du liquide ionique employé, 25, 50, 100, 200 et 500 ppm, ont été utilisées et diverses températures de 303, 313, 323 et 333 K ont été appliquées.

Pour les mesures électrochimiques, une cellule commune, équipée d'une électrode de référence - électrode de référence au calomel saturé (SCE) une contre-électrode (CE), platine, et l'électrode de travail (WE), carbone, acier, a été utilisée. Tous les tests électrochimiques ont été effectués à l'aide d'un Volta lab 40 Potentiostat PGZ 301. Des expériences de polarisation ont été réalisées en balayant le potentiel d'électrode à une vitesse de 2 mVs-1 et en enregistrant le courant. Toutes les données de polarisation ont été ajustées à l'aide des outils d'ajustement mis en œuvre dans le logiciel Volta Master 4 par la méthode d'extrapolation de Tafel. La gamme de fréquences de 100 kHz à 0, 05 Hz avec un pic d'amplitude de 10 mV utilisant un signal alternatif a été appliquée pour les mesures d'impédance électrochimique. Les courbes d'impédance ont été ajustées à l'aide du logiciel ZSimpWin3.60. Pour les mesures de perte de poids, des éprouvettes en acier de forme rectangulaire avec des dimensions de 3 cm × 5 cm × 0,05 cm ont été utilisées. Le temps d'immersion était de 6 h dans du NaCl à 3,5 % à différentes températures en l'absence et en présence de différentes concentrations de [BMIm]TfO.

Un microscope électronique à balayage, modèle JEOL JSM-53000, a été utilisé pour étudier la morphologie des électrodes. Les études de chimie quantique ont été exécutées à l'aide de la fonction MP2 avec un ensemble de bases de 3 à 21 G (d, p). Les énergies de l'orbite moléculaire haute occupée (EHOMO) et de l'orbite moléculaire basse inoccupée (ELUMO) ont été estimées. De plus, l'écart d'énergie entre LUMO et HOMO (ΔE) a été déterminé16.

Les courbes de la figure 1 montrent les réponses de polarisation potentiodynamique de l'acier au carbone dans des solutions de NaCl à 3,5 % libres et contenant différentes quantités de [BMIm]TfO. Les paramètres obtenus à partir des courbes de polarisation, des courants et potentiels de corrosion (icorr, Ecorr, respectivement), du taux de corrosion (CR), de l'efficacité d'inhibition basée sur la densité de courant de corrosion (EFicorr%) et de l'efficacité basée sur le taux de corrosion (EFCR%), la pente cathodique de Tafel (bc) et la pente anodique de Tafel (ba) sont présentés dans le tableau 1. Comme le montre la figure 1, la courbe de polarisation enregistrée en l'absence de [BMIm]TfO présente une tendance active lorsque le courant augmente fortement avec le balayage le potentiel. En plus de l'inhibiteur liquide ionique, un léger impact a été constaté sur la branche cathodique de la courbe. Cependant, un effet prononcé a été enregistré sur la branche anodique. Les courbes cathodique et anodique se déplacent vers des potentiels plus négatifs et plus positifs, respectivement, lors de l'ajout du [BMIm] TfO révélant l'influence inhibitrice.

Courbes de polarisation potentiodynamique de l'acier au carbone en milieu NaCl 3,5% avec et sans différentes concentrations de [BMIm]TfO.

À mesure que la teneur en [BMIm] TfO augmente, la densité de courant diminue et, par la suite, la vitesse de corrosion diminue Tableau 1. L'efficacité d'inhibition la plus élevée était de 75 % pour la concentration d'inhibiteur de 800 ppm. L'influence d'inhibition observée est due à la création d'une couche protectrice du fait de l'adsorption des espèces liquides ioniques sur la surface de l'électrode. Cette couche isole la surface de l'environnement corrosif qui, à son tour, conduit à l'inhibition observée. L'étendue de la couverture de la surface (Ɵ) [BMIm]TfO a été estimée. Le degré de couverture de surface augmente à mesure que la teneur en [BMIm]TfO dans l'électrolyte augmente. La couverture complète de la surface de l'électrode par les espèces liquides ioniques n'a pas été atteinte dans la plage de concentration étudiée de [BMIm]TfO.

La dépendance de l'efficacité d'inhibition de la corrosion de [BMIm]TfO sur la concentration et la température a été explorée. La figure 2a montre la variation de l'efficacité inhibitrice avec la concentration de [BMIm]TfO à différentes températures. Comme on le voit, l'efficacité inhibitrice augmente à mesure que la concentration de [BMIm]TfO augmente pour toutes les températures. La figure 2b montre la dépendance de l'efficacité de l'inhibition sur la température de l'électrolyte à différentes concentrations de [BMIm]TfO. On constate qu'à une même concentration de [BMIm]TfO, l'efficacité d'inhibition de la corrosion diminue lorsque la température augmente. A des concentrations plus élevées de [BMIm]TfO, l'ampleur de l'influence négative de la température sur l'efficacité d'inhibition diminue17.

La dépendance de l'efficacité d'inhibition de [BMIm] TfO sur la corrosion de l'acier au carbone dans des solutions de NaCl à 3,5 % en fonction de (a) la température et (b) la concentration.

Les performances d'inhibition de la corrosion de [BMIm]TfO ont été étudiées à l'aide de la technique de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). La figure 3 présente les tracés de Nyquist de l'électrode en acier au carbone dans le test sans électrolyte et contenant différentes concentrations de [BMIm]TfO. Comme le montre la figure 3, les tracés montrent des boucles capacitives imparfaites. Plus le diamètre de la boucle est élevé, plus la résistance à la corrosion s'arrête18. Avec l'ajout de [BMIm]TfO, le diamètre augmente signifiant son effet inhibiteur sur la corrosion de l'acier au carbone dans l'électrolyte d'essai. Ceci est attribuable à l'adsorption et à la formation d'un film protecteur du liquide ionique sur la surface de l'électrode. Ce film masque la surface, entraînant une diminution de l'attaque de corrosion, comme en témoigne la réduction de la capacité estimée de la double couche Cdl, tableau 2. En outre, les valeurs de (RS), (RP1) et (RP2) augmentent à mesure que la teneur en [BMIm] TfO augmente19.

Graphiques de Nyquist typiques pour l'acier au carbone dans 3,5 % de NaCl sans et avec différentes concentrations de [BMIm] TfO.

Le circuit équivalent utilisé pour ajuster les tracés de Nyquist est illustré à la Fig. 4. Les valeurs des paramètres EIS estimés sont compilées dans le tableau 2. Les paramètres comprennent la résistance de la solution (Rs), l'élément à phase constante (Q), la résistance de polarisation entre la surface et le film formé pendant l'immersion dans l'électrolyte de test (Rp1), la capacité de la double couche (Cdl) et la résistance à la corrosion à l'interface film/électrolyte de surface (Rp2).

Le modèle de circuit équivalent correspondait aux données de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS).

Des études isothermes d'adsorption ont été réalisées pour explorer la nature de l'interaction des espèces liquides ioniques avec la surface de l'acier au carbone. Plusieurs isothermes d'adsorption peuvent décrire la relation entre l'étendue de la couverture de surface et la teneur en espèces adsorbées telles que les isothermes de Langmuir, Freundlich et Temkin. L'interaction d'adsorption de [BMIm]TfO obéit à l'isotherme de Langmuir. L'isotherme d'adsorption de Langmuir peut être définie dans l'équation suivante. (1)20.

où (θ) est le degré de couverture de surface (obtenu précédemment à partir des mesures EIS et PDP), (Cinb) est la concentration de [BMIm]TfO et (Kads) est la constante d'équilibre d'adsorption.

Le tracé de la relation de Langmuir entre Cinb/θ et Cinb donne des lignes droites significatives avec un coefficient de corrélation d'unité et une valeur de pente moyenne de 1,35, Fig. 5a. Ainsi, il est évident que les espèces liquides ioniques sont adsorbées en l'absence de toute interaction secondaire18. La constante d'équilibre pour l'adsorption de [BMIm]TfO (Kads) a été calculée à l'aide de l'intersection de la ligne Cinb/θ par rapport à Cinb, tableau 3. Par conséquent, la valeur de Kads a été utilisée pour estimer l'énergie libre standard d'adsorption (ΔG°ads) sur la base de l'équation. (2):

Isothermes de Langmuir (a) et de Temkin (b) pour l'adsorption du liquide ionique sur l'acier au carbone dans des solutions de NaCl à 3,5 %.

où R, T et 55,5 sont la constante des gaz, la température du système et la concentration des molécules d'eau en molaire. Les valeurs de ∆Goads ont été déterminées pour l'inhibiteur liquide ionique à différentes températures, comme indiqué dans le tableau 3. On voit que les valeurs négatives élevées de ∆Goads sont corrélées aux performances d'adsorption impulsive de [BMIm]TfO sur la surface et se réfèrent à l'état d'équilibre de la couche adsorbée. Ce comportement indique l'interaction intensive entre les constituants du liquide ionique et la surface de l'électrode21. En tant que concept commun, les valeurs de ∆Goads jusqu'à − 20 kJ mol−1 sont associées à l'interaction électrostatique des composés chargés avec la surface chargée dans laquelle le processus d'adsorption, dans ce cas, n'est que physique. En augmentant les valeurs de ∆Goads au-dessus de − 40 kJ mol−1, l'adsorption chimique sera trouvée22.

D'après les mesures obtenues, les valeurs de ∆Goads ont été stabilisées à − 31 kJ mol−1 dans la plage de température de 303 à 333 K. Cela indique que l'adsorption d'espèces liquides ioniques est une sorption physique typique. Les résultats révèlent que l'adsorption des espèces du liquide ionique, typiquement le cation imidazolium, se produit physiquement, électrostatiquement, via l'interaction entre le cation imidazolium et les centres chargés sur la surface de l'électrode. Le caractère spontané de l'adsorption des espèces liquides ioniques sur la surface est indiqué par les valeurs négatives de ∆Goads23. La chaleur d'adsorption ∆Hoads a également été estimée à partir de l'équation de Van't Hoff. (3):

En traçant la relation entre ln Kads par rapport à 1/T, une ligne droite est obtenue comme le montre la figure 5b. La pente de la ligne obtenue est équivalente à (− ∆Hoads/R) dans laquelle la valeur de chaleur d'adsorption (∆Hoads) est proche de la valeur de chaleur d'adsorption standard selon les procédures d'essai20. A partir de la thermodynamique, l'entropie standard d'adsorption (∆Soads) peut être obtenue en utilisant l'Eq. (4):

Les paramètres thermodynamiques calculés (∆Goads, ∆Hoads et ∆Soads) sont compilés dans le tableau 3. On voit que la valeur de ∆Hoads est négative (− 73 KJ mol−1) indiquant l'impact de l'adsorption de [BMIm]TfO sur la surface. En examinant les valeurs de (∆Soads) telles qu'énumérées dans le tableau 3, il est évident que la valeur de ∆Soads est le signe négatif (− 162 J mol−1 K−1). Le signal négatif de ∆Soads peut être corrélé au milieu dissolu qui se traduit généralement par une croissance du désordre, car les réactifs se transforment en complexes efficaces. De plus, la manière observée peut s'expliquer par le mécanisme de substitution de plusieurs molécules d'eau tout au long du processus d'adsorption du liquide ionique sur la surface24.

Outre les investigations thermodynamiques, le modèle d'activation cinétique est également une technique importante pour étudier le mécanisme d'inhibition et expliquer les caractéristiques de l'action protectrice de [BMIm]TfO à différentes températures. L'équation d'Arrhenius a été utilisée pour estimer les paramètres d'activation de la corrosion voir Eq. (5)25 :

où, (CR) représente le taux de corrosion, (Ea) est l'énergie d'activation, (R) est la constante des gaz et (A) est le facteur pré-exponentiel.

Les tracés d'Arrhenius de la relation entre ln (CR) et 1/T sont représentés sur la figure 6a. Comme on le voit, un comportement linéaire est obtenu et les pentes des droites sont (- Ea / R) par conséquent, les valeurs de l'énergie d'activation (Ea) en présence et en l'absence de diverses concentrations de [BMIm] TfO ont été déterminées. De plus, il existe une autre formulation pour l'état de transition comme décrit dans l'équation suivante. (6)26.

( a ) Arrhenius et ( b ) Tracés de l'état de transition pour la corrosion de l'acier au carbone dans 3, 5% de NaCl sans et avec différentes concentrations de [BMIm] TfO.

Les termes de l'équation sont la constante de Plank (h), le nombre d'Avogadro (N), l'entropie d'activation (∆S*) et l'enthalpie d'activation (∆H*). Les tracés de ln CR/T en fonction de 1/T pour l'inhibiteur de liquide ionique sont présentés sur la figure 6b. La pente des droites obtenues est égale à (−∆ H*/R) et l'ordonnée à l'origine est (lnR/Nh + ∆S*/R), donc les valeurs de ∆H* et ∆S* peuvent être estimées. À des plages de concentration définies de l'inhibiteur liquide ionique, les paramètres d'activation de l'acier au carbone en milieu chlorure de sodium sont rassemblés et illustrés dans le tableau 4. Les résultats révèlent qu'avec l'existence de [BMIm] TfO, l'énergie d'activation augmente et l'enthalpie d'activation légèrement réduit tandis que les valeurs de l'entropie pour le processus de corrosion augmentent de manière significative. L'énergie d'activation (Ea), qui est la quantité minimale d'énergie nécessaire pour lancer une réaction chimique, atteint une valeur de 24 kJ mol-1 à forte teneur en liquide ionique et pour la solution à blanc n'est que de 16 kJ mol-1. L'augmentation de la valeur Ea sous l'effet de l'inhibiteur liquide ionique pourrait être attribuée au régime de sorption physique27. Une explication supplémentaire a indiqué que l'augmentation de la valeur de l'énergie d'activation pourrait également être attribuable à la réduction progressive du processus d'adsorption de [BMIm]TfO sur la surface sous l'effet de la chaleur. Sur la base de ces phénomènes, plus le processus d'adsorption réduit, plus l'action de désorption des espèces liquides ioniques se produit lorsque les systèmes de protection et de dissolution sont en équilibre. Il est également révélé que les valeurs séquentielles de Ea et ∆Ho telles que présentées dans le tableau 4 varient dans la même tendance confirmant les phénomènes thermodynamiques communs. Lors d'un suivi particulier, il a été observé que la valeur des entropies d'activation est négative, ce qui signifie que le complexe activé est dans l'étape de détermination de la vitesse et démontre une combinaison plutôt qu'une séparation28.

L'utilisation des techniques d'analyse de surface est assez importante pour se rendre compte des caractéristiques des matériaux, en particulier les surfaces métalliques après exposition aux différents environnements agressifs. Un examen SEM-EDX de la surface de l'électrode après trempage dans les électrolytes de test a été effectué. Les images SEM des figures 7a et b montrent la surface après l'exposition à 3,5 % de NaCl sans et avec l'ajout de [BMIm]TfO, respectivement. La figure 7a représentant l'image SEM de la surface d'acier non inhibée montre une surface rugueuse détériorée à la suite de la corrosion29.

Images SEM de (a) acier au carbone poli, et (b) après 24 h d'immersion dans 3,5 % NaCl et [BMIm]TfO.

En l'absence de [BMIm]TfO, toute la surface de l'acier au carbone est généralement masquée par les produits de corrosion. La couche poreuse de produit de corrosion est incapable de protéger la surface d'une corrosion extrême. L'ajout de l'inhibiteur liquide ionique à l'électrolyte d'essai a réduit l'attaque agressive sur la surface de l'acier, comme le révèle la figure 7b. La surface est relativement exempte de produits de corrosion et comparée à l'échantillon non inhibé, la surface est plus lisse, ce qui signifie l'action inhibitrice de [BMIm]TfO30.

La figure 8 représente le spectre EDX de l'échantillon non inhibé Fig. 8a et de l'échantillon inhibé Fig. 8b car il montre confirme les résultats SEM car, en plus des pics Fe, O et C, un pic de N est enregistré en raison de l'adsorption du cation imidazolium conduisant à l'inhibition de la corrosion observée. De plus, sous la poursuite de la couverture IL, les intensités spectrales diminuent en raison de la formation de la couche adsorbante IL sur la surface31.

Spectres EDX de (a) acier au carbone poli, (b) après 24 h d'immersion dans 3,5 % NaCl et [BMIm] TfO.

Comme on le sait, l'application de calculs de chimie quantique est nécessaire pour démontrer la relation entre la structure moléculaire/électronique de l'inhibiteur et son efficacité d'inhibition de la corrosion32. De plus, les études théoriques permettent la présélection optimale de l'inhibiteur avec les caractéristiques souhaitées33.

La géométrie moléculaire du liquide ionique utilisé a été optimisée en utilisant la méthode semi-empirique PM6. Les structures optimisées ont ensuite été ré-optimisées par la méthode ab initio Hartree–Fock (HF) en utilisant 6–31 + G(d,p) ensemble de bases au niveau Hartree–Fock (HF)34, et par la méthode de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) en utilisant 6–31 + G(d,p) ensemble de bases. Les valeurs de la longueur de liaison, de l'angle de liaison et de l'angle dièdre calculés à l'aide de la méthode DFT 6–31 + G (d, p) sont compilées dans le tableau 5. Tous les calculs ont été effectués par le logiciel gaussien 09 W à l'aide de la fonctionnelle B3LYP35. B3LYUtilise la fonctionnelle à trois paramètres de Bache (B3) et comprend une combinaison de termes d'échange HF avec DFT et de la fonctionnelle de corrélation de Lee, Yang et Parr (LYP)36.

La structure moléculaire optimisée, la caractéristique de potentiel électrostatique et les surfaces de densité d'électrons HOMO et LUMO identiques de l'inhibiteur de liquide ionique, comme démontré par IL utilisant la chimie du modèle PM3, sont symbolisées sur les figures 9a à d. À partir de la structure optimisée, Fig. 9a, on voit la structure du pentagone plan du cycle imidazolium. Le potentiel électrostatique Fig. 9b il montre le nuage d'électrons autour de la structure chimique. La distribution séquentielle des électrons de HOMO Fig. 9c montre des informations sur les positions ou les emplacements qui sont significatifs dans le système pour accorder les électrons à l'orbitale contrastée de la molécule réceptrice. D'autre part, la prévalence des électrons de LUMO Fig. 9d montre des informations sur les sites de molécules qui sont limités pour reconnaître l'électron d'un donneur pratique37.

L'orbitale moléculaire frontière (a) structure optimisée, (b) potentiel électrostatique (ESP), (c) HOMO et (d) LUMO du liquide ionique [BMIm]TfO.

D'après la figure 9c, il est évident que la densité électronique du HOMO est généralement combinée avec le cation imidazolium dans la structure liquide ionique indiquant la contribution du cycle imidazolium dans l'adsorption du liquide ionique sur la surface de l'acier. Ceci est cohérent avec les résultats récemment publiés qui indiquaient, sur la base d'études de chimie quantique, que le cycle imidazolium est probablement le site actif crucial dans les liquides ioniques à base d'imidazolium38. Les valeurs calculées des paramètres chimiques quantiques, EHOMO, ELUMO et ΔE, qui sont principalement affectées par les interactions électroniques entre la surface de l'acier et l'inhibiteur de liquide ionique ont été illustrées dans le tableau 6. La valeur EHOMO décrit la capacité de l'inhibiteur à donner des électrons à la surface de l'électrode, tandis que l'ELUMO mesure la capacité à recevoir des électrons dans la molécule LUMO à partir d'une molécule donneuse adaptée39,40,41. L'écart énergétique (ΔE), qui est obtenu à partir de la différence entre ELUMO et EHOMO, est également un facteur important qui peut être utilisé pour détecter l'activité de la molécule. Principalement, la valeur minimale de ΔE est liée à une grande efficacité d'inhibition et à une réactivité chimique42,43,44. Cela signifie que l'inhibiteur sur la surface donne/reçoit plus facilement des électrons et par la suite l'adsorption de l'inhibiteur sur la surface devient plus facile. Le signe négatif d'EHOMO fait référence à la nature d'adsorption physique de l'inhibiteur liquide ionique45,46,47.

À la lumière des résultats ci-dessus, on peut conclure que le liquide ionique utilisé est électrostatiquement adsorbé sur la surface de l'acier et que le cation imidazolium est responsable de l'influence inhibitrice observée lorsque le cycle imidazolium est parallèlement absorbé sur la surface de l'acier.

Le [BMIm]TfO a été examiné en tant qu'inhibiteur de corrosion possible pour l'acier au carbone dans des solutions de chlorure. Les résultats ont révélé l'action inhibitrice de [BMIm]TfO qui augmente lorsque la concentration augmente. Les résultats de polarisation potentiodynamique ont montré que le liquide ionique est un inhibiteur mixte car les processus cathodiques et anodiques ont été influencés. L'action inhibitrice de [BMIm]TfO est attribuable à l'adsorption des cations imidazolium sur la surface de l'acier au carbone établissant une couche barrière qui protège la surface du milieu agressif. L'adsorption du [BMIm]TfO obéit à l'isotherme de Langmuir. L'énergie libre d'adsorption a révélé que l'adsorption des espèces liquides ioniques se produit physiquement via l'interaction électrostatique du cation imidazolium avec les centres chargés à la surface de l'électrode. Les résultats ont prouvé que les liquides ioniques peuvent être utilisés comme inhibiteurs de corrosion pour l'acier au carbone dans les solutions de saumure avec une efficacité élevée qui leur permet de rivaliser avec les inhibiteurs commerciaux actuellement utilisés, malgré leur prix élevé, ils sont considérés comme compétitifs pour plus d'une raison, y compris leur efficacité et la raison la plus importante est qu'ils sont moins toxiques et donc conformes à la tendance mondiale de remplacement des matériaux toxiques. Ainsi, il pourrait être actuellement utilisé avec des effets potentiels et des matériaux moins toxiques, ce qui rend ces matériaux prêts à être compétitifs dans le domaine de l'industrie pétrolière et gazière.

Les ensembles de données générés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles dans cet article publié.

La version originale en ligne de cet article a été révisée : dans la version originale de cet article, AM El Shamy et S. Zein El Abedin étaient affiliés à tort au "Département pétrochimique, Institut égyptien de recherche pétrolière, PB 11727, Nasr City, Le Caire, Égypte". L'affiliation correcte est : « Laboratoire d'électrochimie et de corrosion, Département de chimie physique, Centre national de recherche, Dokki, 12622, Le Caire, Égypte.

La version originale en ligne de cet article a été révisée : la version originale de cet article contenait des erreurs dans les affiliations. Des informations complètes concernant les corrections apportées peuvent être trouvées dans la correction de cet article.

Une correction à cet article a été publiée : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22010-9

Une correction à cet article a été publiée : https://doi.org/10.1038/s41598-023-28979-1

Sun, C., Liu, J., Sun, J., Lin, X. & Wang, Y. Sonder le comportement initial à la corrosion de l'acier X65 dans des environnements CCUS-EOR avec des fluides CO2 supercritiques impurs. Corros. Sci. 1, 109585 (2021).

Article Google Scholar

Reda, Y., Yehia, HM & El-Shamy, AM Propriétés microstructurales et mécaniques de l'alliage Al-Zn 7075 pendant le RRA et le triple vieillissement. Egypte. J.Pet. 31, 9–13. https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2021.12.001 (2022).

Article Google Scholar

Zohdy, KM, El-Sherif, RM & El-Shamy, AM Comportements de corrosion et de passivation de l'étain dans des solutions aqueuses de pH différents. J. Bio-Tribo-Corros. 7(2), 1–7. https://doi.org/10.1007/s40735-021-00515-6 (2021).

Article Google Scholar

Sarkar, TK, Saraswat, V., Mitra, RK, Obot, IB et Yadav, M. Atténuation de la corrosion dans l'acier des puits/tubes de pétrole utilisant des pyrimidines comme inhibiteur de corrosion efficace : étude expérimentale et théorique. Mater. Aujourd'hui Commun. 26, 101862 (2021).

Article CAS Google Scholar

Azam, MA, Sukarti, S. & Zaimi, M. Comportement à la corrosion de l'acier des pipelines de pétrole/gaz naturel API-5L-X42 dans les eaux marines de la mer de Chine méridionale et du détroit de Melaka. Ing. Échouer. Anal. 115, 104654 (2020).

Article CAS Google Scholar

Abdel-Karim, AM, El-Shamy, AM & Reda, Y. Résistance à la corrosion et à la corrosion sous contrainte de l'alliage Al Zn 7075 par des revêtements nanopolymères. J. Bio- Tribe Runs. 8, 57. https://doi.org/10.1007/s40735-022-00656-2 (2022).

Article Google Scholar

Zhang, S. et al. Une étude sur l'interaction entre les ions chlorure et le CO2 vis-à-vis de la corrosion de l'acier au carbone. Corros. Sci. 167, 108531 (2020).

Article CAS Google Scholar

Abbas, MA & Bedair, MA Études d'adsorption et de calcul pour évaluer le comportement des composés à base de silicium en tant que nouveaux inhibiteurs de corrosion des surfaces en acier au carbone en milieu acide. Z. Phys. Chim. 233, 225-254 (2019).

Article CAS Google Scholar

Tan, B. et al. Aperçu des performances anti-corrosion de deux arômes alimentaires en tant qu'inhibiteurs écologiques et ultra-performants pour le cuivre en milieu acide sulfurique. J. Colloid Interface Sci. 609, 838–851. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.11.085 (2022).

Article CAS PubMed Google Scholar

Tan, B. et al. Passiflora edulia Sims extrait de feuilles comme inhibiteur renouvelable et dégradable du cuivre dans une solution d'acide sulfurique. Colloïdes Surf. A 645, 128892. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.128892 (2022).

Article CAS Google Scholar

El-Shamy, AM, El-Hadek, MA, Nassef, AE & El-Bindary, RA Optimisation des variables influençant la propriété de corrosion de l'alliage d'acier 4130 dans une solution de NaCl à 3,5 % en poids. J. Chem. 2020, 9212491. https://doi.org/10.1155/2020/9212491 (2020).

Article CAS Google Scholar

El-Shamy, AM, El-Hadek, MA, Nassef, AE et El-Bindary, RA Conception Box-Behnken pour améliorer la résistance à la corrosion de l'alliage d'acier à haute résistance dans une solution de NaCl à 3,5 % en poids. Mor. J. Chem. 8(4), 788–800. https://doi.org/10.48317/IMIST.PRSM/morjchem-v8i4.21594 (2020).

Article CAS Google Scholar

Attia, H., Mohamed Nawal, H., Soad, M. & Samar, M. Études phytochimiques et pharmacologiques sur Convolvulus fatmensis Ktze. J. Nat. Remed. 7(1), 109-119 (2007).

Google Scholar

Bhaskaran, Y. et al. Évaluer un liquide ionique pour l'impact anticorrosif sur l'acier fer-carbone : synthèse, mécanisme informatique et expérimental. Chim. Bouillie. 75, 789–803 (2021).

Article CAS Google Scholar

Mohsenifar, F., Jafari, H. & Sayin, K. Étude des paramètres thermodynamiques de la corrosion de l'acier en solution acide en présence de N, N′-Bis (phloroacétophénone) -1, 2 propanediamine. J. Bio-Tribo-Corros. 2, 1 (2016).

Article Google Scholar

Reda, Y., El-Shamy, AM & Where, AK Effet de la fragilisation par l'hydrogène sur les microstructures de l'alliage d'acier galvanisé 4130. Ain Shams Eng. J. 9(4), 2973-2982. https://doi.org/10.1016/j.acej.2018.08.004 (2018).

Article Google Scholar

Gad, EA & El-Shamy, AM Mécanisme de corrosion et de corrosion microbienne de la 1,3-dibutyl thiourée en utilisant les calculs chimiques quantiques. J. Bio-Tribo-Corros. 8, 71. https://doi.org/10.1007/s40735-022-00669-x (2022).

Article Google Scholar

Xu, X., Singh, A., Sun, Z., Ansari, KR & Lin, Y. Analyse théorique, thermodynamique et électrochimique de la biotine en tant qu'inhibiteur de corrosion imminent pour l'acier doux dans de l'acide chlorhydrique à 15%. R. Soc. Ouvrez SCI. 4, 170933 (2017).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Hossain, N., Asaduzzaman Chowdhury, M. & Kchaou, M. Un aperçu des inhibiteurs de corrosion verts pour un développement industriel durable et respectueux de l'environnement. J. Adhes. Sci. Technol. 35, 673–690 (2021).

Article CAS Google Scholar

Ardakani, EK, Kowsari, E., Ehsani, A. & Ramakrishna, S. Performance de tous les liquides ioniques en tant que composés écologiques et durables pour inhiber la corrosion dans divers milieux : un examen complet. Microchem. J. 165, 106049 (2021).

Article CAS Google Scholar

El-Shamy, AM, Zakaria, K., Abbas, MA et El Abedin, SZ Effets antibactériens et anticorrosion du trifluorométhylsulfonate de 1-butyl-1-méthylpyrrolidinium liquide ionique. J. Mol. Liquide. 211, 363–369 (2015).

Article CAS Google Scholar

Mouneir, SM, El-Hagrassi, AM & El-Shamy, AM Un examen des compositions chimiques des produits naturels et de leur rôle dans la définition des tendances actuelles et des objectifs futurs. Egypte. J. Chem. 65(5), 491–506. https://doi.org/10.21608/ejchem.2021.95577.4486 (2022).

Article Google Scholar

Sherif, ESM, Abdo, HS & El Abedin, SZ Inhibition de la corrosion de la fonte dans l'eau de mer du golfe Persique par deux liquides ioniques différents. Matériaux 8, 3883–3895 (2015).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Shehata, MF, El-Shamy, AM, Zohdy, KM, Sherif, ESM et Zein El Abedin, S. Études sur l'influence antibactérienne de deux liquides ioniques et leurs performances d'inhibition de la corrosion. Appl. Sci. 10, 1444 (2020).

Article CAS Google Scholar

Musa, AY, Mohamad, AB, Kadhum, AAH, Takriff, MS & Ahmoda, W. Études chimiques quantiques sur l'inhibition de la corrosion pour une série de composés thio sur l'acier doux dans l'acide chlorhydrique. Ing. J. Ind. Chim. 18, 551-555 (2012).

Article CAS Google Scholar

Abdel-Karim, AM & El-Shamy, AM Un examen des inhibiteurs de corrosion verts pour la protection des artefacts métalliques archéologiques. J. Bio-Tribo-Corros. 8, 35. https://doi.org/10.1007/s40735-022-00636-6 (2022).

Article Google Scholar

Kabel, KI, Zakaria, K., Abbas, MA et Khamis, EA Évaluation du comportement inhibiteur de corrosion des dérivés de 2-aminothiophénol sur l'acier au carbone dans 1 M HCl. Ing. J. Ind. Chim. 23, 57–66 (2015).

Article CAS Google Scholar

Joshi, SJ, Deshmukh, A. & Sarma, H. Biotechnologie pour un environnement durable (Springer, 2021).

Réserver Google Scholar

Verma, C. et al. Les sulfonamidométhylphosphonates d'aryle comme nouvelle classe d'inhibiteurs de corrosion verte pour l'acier doux dans HCl 1 M : étude électrochimique, chimique de surface et quantique. J. Mol. Liquide. 209, 306–319 (2015).

Article CAS Google Scholar

Bakr, AA, Zakaria, K., Abbas, MA & Hamdy, A. Amphistegina media filtration comme prétraitement de l'unité de dessalement SWRO pour produire différentes salinités afin d'étudier le comportement à la corrosion de divers matériaux. Dessalement. Traitement de l'eau. 57, 16703–16720 (2016).

CAS Google Scholar

Ouakki, M. et al. Etudes électrochimiques, thermodynamiques et théoriques de certains composés dérivés de l'imidazole comme inhibiteurs de corrosion acide pour l'acier doux. J. Mol. Liquide. 319, 114063 (2020).

Article CAS Google Scholar

Soliman, SA, Metwally, MS, Selim, SR, Bedair, MA & Abbas, MA Inhibition de la corrosion et comportement d'adsorption du nouveau tensioactif à base de Schiff sur l'acier en milieu acide : études expérimentales et théoriques. Ing. J. Ind. Chim. 20, 4311–4320 (2014).

Article CAS Google Scholar

Farag, AA, Ismail, AS & Migahed, MA Inhibiteur de corrosion des protéines de déchets de crevettes respectueux de l'environnement pour l'acier au carbone dans une solution de HCl 1 M. Egypte. J.Pet. 27, 1187-1194 (2018).

Article Google Scholar

Mashuga, ME et al. Études d'adsorption, de thermodynamique et de chimie quantique de liquides ioniques à base de 1-hexyl-3-méthylimidazolium comme inhibiteurs de corrosion pour l'acier doux dans HCl. Matériaux 8, 3607–3632 (2015).

Article CAS PubMed Central Google Scholar

Abbass, M., Mohammed, KZ & Hamdy, A. Propriétés d'adsorption et effet inhibiteur du médicament antibactérien sur la corrosion de l'acier au carbone en milieu HCl. Biosci. Biotechnol. Rés. Asie. 9, 27–37 (2012).

Article CAS Google Scholar

Hameed, RSA, Ismail, EA, Al-Shafey, HI & Abbas, MA Agents thérapeutiques à base d'indométhacine expirés comme inhibiteurs de corrosion pour l'acier au carbone dans un milieu d'acide chlorhydrique 1,0 M. J. Bio-Tribo-Corros. 6, 1–10 (2020).

Google Scholar

Gece, G. L'utilisation de méthodes chimiques quantiques dans les études sur les inhibiteurs de corrosion. Corros. Sci. 50, 2981–2992 (2008).

Article CAS Google Scholar

Frisch, M. et al. Gaussien 09, Révision A. 01 (2009).

Lee, C., Yang, W. & Parr, RG Développement de la formule de corrélation-énergie de Colle-Salvetti en une fonctionnelle de la densité électronique. Phys. Rev. B. 37, 785 (1988).

Article CAS Google Scholar

Tian, G. & Yuan, K. Comportement d'adsorption et d'inhibition des dérivés de tétrafluoroborate d'imidazolium en tant qu'inhibiteurs de corrosion verte pour l'acier au carbone. J. Mol. Modèle. 27, 1–16 (2021).

Article Google Scholar

Singh, AK et al. Évaluation des performances anti-corrosion d'un cefdinir antibiotique semi-synthétique périmé pour l'acier doux en milieu HCl 1 M : Une étude expérimentale et théorique. Résultats Phys. 14, 102383 (2019).

Article Google Scholar

Zohdy, KM, El-Sherif, RM, Ramkumar, S. & El-Shamy, AM Études quantiques et électrochimiques des résultats de l'évolution de l'hydrogène dans les réactions de corrosion de l'acier doux en milieu acide. Amont Pétrole Gaz Technol. 6, 100025. https://doi.org/10.1016/j.upstre.2020.100025 (2021).

Article Google Scholar

Karthikaiselvi, R. & Subhashini, S. Étude des propriétés d'adsorption et de l'inhibition de la corrosion de l'acier doux dans les milieux à base d'acide chlorhydrique par un composite hydrosoluble poly (alcool vinylique-o-méthoxyaniline). J. Assoc. Univ. Arabe. Application de base Sci. 16, 74–82 (2014).

Google Scholar

Tang, Y. et al. Une étude préliminaire de l'inhibition de la corrosion de l'acier doux dans 0,5 M H2SO4 par le 2-amino-5-(n-pyridyl)-1, 3, 4-thiadiazole : simulations de polarisation, d'EIS et de dynamique moléculaire. Corros. Sci. 52, 1801–1808 (2010).

Article CAS Google Scholar

Farag, HK, El-Shamy, AM, Sherif, EM & El Abedin, SZ Synthèse sonochimique de composites ZnO/Ag nanostructurés dans un liquide ionique. Z. Phys. Chim. 230(12), 1733–1744. https://doi.org/10.1515/zpch-2016-0777 (2016).

Article CAS Google Scholar

Abbas, MA, Zakaria, K., El-Shamy, AM & El Abedin, SZ Utilisation du liquide ionique de chlorure de 1-butylpyrrolidinium comme inhibiteur de corrosion et biocide respectueux de l'environnement pour les équipements pétroliers : études combinées de perte de poids, électrochimiques et SEM Z. Phys. Chim. 235(4), 377–406. https://doi.org/10.1515/zpch-2019-1517 (2019).

Article CAS Google Scholar

El-Shamy, AM & Abdel Bar, MM Liquide ionique en tant qu'inhibiteur soluble dans l'eau et potentiel de la corrosion et de la corrosion microbienne des artefacts en fer. Egypte. J. Chem. 64(4), 1867–1876. https://doi.org/10.21608/ejchem.2021.43786.2887 (2021).

Article Google Scholar

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Département des applications pétrolières, Institut égyptien de recherche pétrolière, PB 11727, Nasr City, Le Caire, Égypte

Mohamed A. Abbas

Département de la pétrochimie, Institut égyptien de recherche sur le pétrole, PB 11727, Nasr City, Le Caire, Égypte

Amr S. Ismaïl

Département d'analyse et d'évaluation, Institut égyptien de recherche sur le pétrole, PB 11727, Nasr City, Le Caire, Égypte

K.Zakaria

Laboratoire d'électrochimie et de corrosion, Département de chimie physique, Centre national de recherche, Dokki, 12622, Le Caire, Égypte

AM El-Shamy & S. Zein El-Abedin

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MAA, ASI et KZ ont analysé les données et rédigé le travail expérimental dans ce manuscrit ; SZEA agit en tant que consultant pour l'information scientifique, et SZEA et AME-S. aidé à effectuer l'analyse avec des discussions constructives.

Correspondance à AM El-Shamy.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

La version originale en ligne de cet article a été révisée : dans la version originale de cet article, AM El Shamy et S. Zein El Abedin étaient incorrectement affiliés au « Département de la pétrochimie, Institut égyptien de recherche sur le pétrole, PB 11727, Nasr City, Le Caire, Égypte ». L'affiliation correcte est : « Laboratoire d'électrochimie et de corrosion, Département de chimie physique, Centre national de recherche, Dokki, 12622, Le Caire, Égypte.

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Abbas, MA, Ismail, AS, Zakaria, K. et al. Etudes d'adsorption, de thermodynamique et de chimie quantique d'un liquide ionique qui inhibe la corrosion de l'acier au carbone dans des solutions de chlorure. Sci Rep 12, 12536 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16755-6

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Reçu : 27 avril 2022

Accepté : 14 juillet 2022

Publié: 22 juillet 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-16755-6

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