Advanced Corrosion Modelling: an Atomistic Approach to Describe the Corrosion Inhibition Process

Resumen

Los compuestos inorgánicos tóxicos, normalmente utilizados como inhibidores de la corrosión en películas de pintura, están siendo reemplazados por compuestos más respetuosos con el medio ambiente en recubrimientos en las industrias aeroespacial, automotriz y de infraestructura. Sin embargo, es necesario comprender mejor el mecanismo de inhibición de la corrosión detrás de estos compuestos. El modelado molecular puede proporcionar información mediante el análisis de la interfaz metal-inhibidor-agua, pero una representación realista de los procesos electroquímicos es crucial. En esta tesis, se deben considerar seis aspectos críticos (A) para describir de manera realista el proceso de inhibición de la corrosión en el modelado: (A1) las propiedades electrónicas de los inhibidores aislados, (A2) la interacción del inhibidor con la superficie, (A3) la superficie modelo, (A4) el efecto de las zonas anódica y catódica en la superficie, (A5) los efectos del disolvente y (A6) los efectos potenciales de los electrodos. Si bien los aspectos A1-A3 generalmente se consideran en la literatura, los aspectos A4-A6 y algunos modelos de superficie más complejos en A3 no lo son. Aquí, nos centraremos en dos principales: el potencial del electrodo aplicado y los efectos del disolvente._x000D_ El sistema elegido para mostrar estos dos aspectos es la adsorción de 2-mercaptobenzoimidazol (MBI) sobre superficies de Cu(111). Nuestros resultados de DFT y NEGF muestran que el sistema se vuelve más estable a medida que aumenta la cobertura de moléculas, formando una monocapa autoensamblada (SAM). La estructura electrónica es sensible al voltaje aplicado, lo que induce una redistribución de carga en el sistema, donde el MBI actúa como un metal y acumula la carga inducida en el borde de la molécula._x000D_ El paso final abordó los efectos de los solventes en la adsorción de MBI, donde se utilizó la metodología que combina el formalismo NEGF y el método de QM/MM bajo diferentes condiciones de cobertura: superficie, cobertura baja con un MBI adsorbido y un caso de alta cobertura con seis MBI adsorbidos y bajo diferentes voltajes aplicados. Los resultados sugieren que se forma una SAM estable en el caso de alta cobertura. Prevalece a lo largo de la dinámica y actúa como una barrera física entre las moléculas de agua y la superficie, impidiendo su interacción con la superficie metálica. Los resultados en la superficie y con un MBI adsorbido mostraron una capa de agua directamente en contacto con la superficie de Cu, contrario al caso con un SAM adsorbido, donde la primera capa de agua se ubica al final de la estructura del SAM._x000D_ Finalmente, se realizó una colaboración con la Universidad RMIT para investigar la adsorción de 2-MBT y 2-ABT en acero galvanizado, utilizando una superficie modelo Zn(0001). Los hallazgos se alinearon con datos experimentales utilizando XPS, que reveló la unión entre 2-ABT y Zn a través del endo S y el 2-MBT a través de endo N y exo S. Los datos experimentales también destacaron la fuerte interacción entre el 2-MBT y la superficie, formando potencialmente complejos con iones Zn2+._x000D_ Los resultados de este enfoque QM/MM-NEGF se diferencian del modelado CI habitual, que carece de una descripción precisa del proceso atomístico que ocurre en la interfaz acuosa del inhibidor metálico. En cambio, el enfoque QM/MM-NEGF proporciona una forma precisa y predictiva de simular interacciones fundamentales que conducen a propiedades de CI. Además, los resultados de este enfoque pueden utilizarse potencialmente para alimentar métodos de inteligencia artificial (IA) y modelos multiescala, que pueden cerrar la brecha entre el modelado de CI a nanoescala y la escala continua de los procesos de CI. Esto podría mejorar nuestra comprensión de la inhibición de la corrosión y conducir a soluciones más efectivas.

Fecha de lectura	6 jun 2024
Idioma original	Inglés
Supervisor	Ernane de Freitas Martins (Director/a), Ivan Cole (Director/a) & Pablo Jesús Ordejón Rontome (Director/a)