基于DFT与分子动力学模拟多尺度计算揭示含环类氨基酸缓蚀机制

doi:10.11902/1005.4537.2025.098

中国腐蚀与防护学报 DOI: 10.11902/1005.4537.2025.098

白瑞雨¹,黄维安¹,贾江鸿²,张燕明³,刘云峰⁴,王增宝¹

1. 中国石油大学（华东）
2. 中石化中原油田分公司
3. 中国石油长庆油田分公司
4. 中国石油西南油气田分公司天然气研究院

Multiscale Computational Study Combining Density Functional Theory (DFT) and Molecular Dynamics (MD) Simulations to Reveal the Corrosion Inhibition Mechanism of Cyclic Amino Acids

引用本文:

白瑞雨黄维安贾江鸿张燕明刘云峰王增宝. 基于DFT与分子动力学模拟多尺度计算揭示含环类氨基酸缓蚀机制[J]. 中国腐蚀与防护学报, 10.11902/1005.4537.2025.098.

全文: PDF(794 KB)

摘要: 通过分子动力学（MD）模拟与密度泛函理论（DFT）计算，系统探究了色氨酸、组氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸及酪氨酸五种含环氨基酸在20% wt HCl 溶液中对Fe以及Cu的缓蚀性能及作用机制。结果表明，五种含环氨基酸均具有一定缓蚀作用，色氨酸因独特的吲哚环π电子共轭效应与氨基配位能力，展现出最优异的缓蚀潜力。分子动力学模拟显示，色氨酸可以吸附在金属表面形成的致密吸附层，其吸附能（Fe：-381.45 kJ/mol、Cu：-239.1 kJ/mol）显著高于其他氨基酸（如组氨酸：Fe：-307.11 kJ/mol、Cu：-141.84 kJ/mol），且分子取向利于疏水屏障构建，有效阻隔H?/Cl?侵蚀。DFT分析进一步揭示，色氨酸的HOMO轨道集中于吲哚环与氨基，可通过电子反馈与金属空d轨道形成强化学键；LUMO轨道则分布于羧酸基团，增强吸附稳定性。其全局反应性参数（ΔN=0.476）远高于其他氨基酸（如脯氨酸ΔN=0.345）表明其电荷转移能力突出，抑制金属阳极溶解与阴极析氢的协同效果显著。

关键词 ：含环类氨基酸缓蚀剂, 色氨酸, 分子动力学模拟, DFT计算, 致密吸附

Abstract：This study systematically investigated the corrosion inhibition performance and mechanisms of five cyclic amino acids (tryptophan, histidine, proline, phenylalanine, and tyrosine) on Fe and Cu in acidic media (20 wt% HCl solution) using molecular dynamics (MD) simulations and density functional theory (DFT) calculations. The results demonstrated that all five cyclic amino acids exhibited corrosion inhibition effects, with tryptophan showing the most superior performance due to its unique indole ring π-electron conjugation and amino group coordination capabilities.MD simulations revealed that tryptophan formed a dense adsorption layer on metal surfaces, displaying significantly higher adsorption energies (Fe: -381.45 kJ/mol; Cu: -239.1 kJ/mol) compared to other amino acids (e.g., histidine: Fe: -307.11 kJ/mol; Cu: -141.84 kJ/mol). The molecular orientation of tryptophan facilitated the construction of a hydrophobic barrier, effectively blocking the penetration of H? and Cl? ions. DFT analyses further demonstrated that the HOMO orbitals of tryptophan were localized on the indole ring and amino group (f? = 0.144), enabling strong chemical bonding via electron back-donation to vacant metal d-orbitals, while the LUMO orbitals were distributed over the carboxyl group (f?=0.20), enhancing adsorption stability. The global reactivity parameter (ΔN=0.476) of tryptophan significantly exceeded those of other amino acids (e.g., proline: ΔN=0.345), highlighting its exceptional charge transfer capacity and synergistic suppression of both anodic metal dissolution and cathodic hydrogen evolution.

Key words： Cyclic amino acid corrosion inhibitor Tryptophan Molecular dynamics simulation DFT calculation Dense adsorption

收稿日期: 2025-03-25

ZTFLH:

TQ015.9

基金资助:国家自然科学基金;国家自然科学基金;国家自然科学基金;山东省自然科学基金

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