电化学腐蚀的界面微观结构和反应的量子化学研究

At present, the corrosion causes serious problems, such as the destruction of infrastructures and industrial equipments, and leads to huge economic losses. Our project will focus on electrochemical corrosion processes on different metal electrodes, through combining electrochemical surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and quantum chemistry calculation. Based on density functional theory calculations, we will simulate the model of interfacial structures for metal corrosion systems, calculate adsorption and electronic structures of organic molecules adsorbed on the metal electrode surfaces, analyze metal-molecule bonding interaction and interfacial charge transfer. The influence on the electrochemical reaction from the electrode potentials and different corrosion inhibitors will be discussed. Through the calculation of vibration spectra, and compared with the in situ electrochemical SERS, the possible transition states and intermediates will be calculated, and the mechanism of corrosion reaction will be concluded, then the process of reaction will be regulated. We will further investigate the processes of coadsorption or competitive adsorption for small molecules or ions interacting with inhibitor on the metal surface, and explore the modification of active sites on metal surface, as well as the influence on microstructure, thermodynamics and reaction mechanism of electrochemical corrosion. Through this study, we will further understanding the microscopic interfacial structure and electrochemical corrosion reaction mechanism, finding a way to effectively solve the corrosion problems, and provide the theory basis for the solution of energy crisis and environment problems.

目前，腐蚀是导致各种基础设施和工业设备破坏的最主要原因，由此造成的经济损失巨大。本项目拟通过将电化学表面增强拉曼光谱和量子化学理论计算相结合，研究不同金属电极的腐蚀电化学过程。项目将采用密度泛函理论方法，模拟金属腐蚀体系的界面结构，计算分子在金属电极表面的吸附模型和电子结构，分析金属-分子成键相互作用和界面电荷转移。讨论电极电位和不同的腐蚀抑制分子对于反应的影响。通过计算分子的振动光谱，与原位电化学表面增强拉曼光谱实验相结合，推断可能的过渡态和反应中间体，探索腐蚀反应的机理，调控反应的进程。探讨小分子或离子与抑制剂分子在金属表面的共吸附或竞争吸附过程，探究金属表面活性位的修饰，以及其对电化腐蚀的微观结构、热力学和反应的影响。通过该项目的研究，深入认识电化学腐蚀的界面微观结构和反应机制，找到腐蚀问题的有效解决途径，为解决能源危机与环境问题提供理论依据。

近年来，腐蚀是导致各种基础设施和工业设备破坏的最主要原因，由此造成的经济损失巨大。本项目通过电化学表面增强拉曼光谱和量子化学理论计算相结合，研究不同金属电极的腐蚀电化学过程。项目采用密度泛函理论方法，模拟金属腐蚀体系的界面结构，计算分子在金属电极表面的吸附模型和电子结构，分析金属-分子成键相互作用和界面电荷转移。讨论电极电位和不同的腐蚀抑制分子对于反应的影响。其中，芳香硫醇化合物和磺胺类化学物，由于其巯基或氨基和金属表面原子有较强的相互作用，可以占据表面上的活性位点，在金属表面形成一层保护膜，以致隔绝界面中其他物质对金属的腐蚀，是常用的电化学体系中的金属腐蚀抑制剂。本项目通过将电化学表面增强拉曼光谱和量子化学理论计算相结合，计算明星分子在金属电极表面的吸附模型和电子结构，分析金属-分子成键相互作用和界面电荷转移过程，探索电化学电极/溶液的界面机理，并分析了表面增强拉曼信号的化学增强机理。. 其次，通过计算分子的振动光谱，与原位电化学表面增强拉曼光谱实验相结合，推断可能的过渡态和反应中间体，探索腐蚀反应的机理，调控反应的进程。本项目研究了氰化物未参与的金沉积反应，采用碱性含氮有机物作为氰化物的替代品，通过电化学表征方法和密度泛函理论计算相结合，探究含氮有机物与金的络合作用和其光谱性质。我们通过密度泛函理论计算含氮有机物与金作用的络合物结构，选取稳定的络合物结构，分析其络合后的能级排布，推断其反应进程。. 再次，我们探讨了小分子或离子与抑制剂分子在金属表面的共吸附或竞争吸附过程，探究金属表面活性位的修饰，以及其对电化腐蚀的微观结构、热力学和反应的影响。通过该项目的研究，深入认识电化学腐蚀的界面微观结构和反应机制，找到腐蚀问题的有效解决途径，为解决能源危机与环境问题提供理论依据。