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随着化学工业的发展，金属材料在产品的制造和加工中起着至关重要的作用。铜及其合金因其优异的物理化学性质，如优良的导电性、导热性、可加工性和耐腐蚀性，而得到广泛应用。但是，铜及其合金易受到酸洗液或者酸雨环境的腐蚀破坏，极大威胁铜的服役寿命，并可能造成严重后果。因此，有效防止金属铜在酸性介质中的被腐蚀是关乎国计民生的大事，对于实现可持续发展具有重大意义。
离子型高分子由于具有良好的两亲性、自组装性、热稳定性等而在许多领域都具有广泛应用。基于此，本论文设计合成了一系列具有拓扑结构的离子型高分子，利用其自组装性质，开展了目标离子型高分子聚集体对金属的缓蚀性能研究，揭示了目标高分子的化学结构与缓蚀性能之间的构效关系。
本论文的主要研究工作及成果如下：
①设计合成了新型的含有烷基链的线性咪唑离子液体共聚高分子：IP1和IP2，研究了它们在0.5M H2SO4溶液中的聚集行为。结果表明，IP1和IP2可在稀硫酸溶液中形成规则的聚集体。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼(Raman)光谱、X射线光电子能谱(XPS)揭示了IP1和IP2在铜表面的化学吸附机理。电化学测试结果表明，IP1和IP2分子聚集体可同时抑制铜在稀硫酸溶液中的阳极和阴极腐蚀反应过程，且对阴极反应的抑制作用更为显著。IP1和IP2聚集体在金属表面的吸附行为遵循Langmuir等温吸附模型，通过吸附等温线拟合结果计算得到的热力学参数以及基于密度泛函理论(DFT)的量子化学计算从分子层面上解释了吸附及缓蚀机理。
②设计合成了新型线性固-液离子型高分子IP3和IP4，在0.5M硫酸水溶液中能够发生自组装，形成的聚集体的形貌和尺寸与自组装的浓度和时间表现出依赖关系。通过FT-IR、Raman光谱、XPS谱图等研究了聚集体与铜基底的化学螯合作用。此外，通过不同温度下的极化曲线测试表明IP3、IP4聚集体在金属表面吸附过程中可能存在着物理吸附。电化学测试结果表明，在铜电极上形成的IP3、IP4聚集体缓蚀层在腐蚀性酸性介质中具有良好的耐腐蚀性能。量子化学计算进一步表明，咪唑环是与铜表面螯合的主要活性中心，给电子效应最强的氮原子与亚铜离子反应活性最强。分子动力学模拟(MD)结果揭示了IP3、IP4聚集体与铜表面的平行吸附构型可形成较大的表面覆盖率，并通过计算所得Ebinding值对IP3、IP4聚集体在金属表面的吸附能力进行了量化。
③基于分子预组装，研究了“A2/A3+B3”新型拓扑超支化固态离子型高分子聚集体对铜在硫酸溶液中的抗腐蚀性能。结果表明，所制备的拓扑超支化固态离子型高分子IP5及IP6在乙醇/0.5M H2SO4混合水溶液中可以有序自组装形成规则聚集体，且所得聚集体的形貌和尺寸与聚集浓度及聚集时间表现出依赖关系。金属表面分析结果表明，铜表面形成的IP5、IP6聚集体保护膜主要是通过Cu(I)-N螯合键得到的。此外，通过不同温度下的极化曲线测试表明了物理吸附的存在，且物理吸附可能会促进IP5、IP6聚集体保护层的生长及稳定性。电化学研究结果表明，在铜表面形成的IP5、IP6聚集体保护膜在强腐蚀性的硫酸水溶液中表现出了良好的耐腐蚀性能。此外，HOMOs和LUMOs前线轨道电子云密度和Mulliken电荷的局域分布性以及分子动力学模拟结果表明，咪唑环中的氮原子在化学吸附过程中起着重要的作用。
④设计合成了“A2+B3”拓扑超支化离子液体型高分子，并且研究了其在乙醇/0.5M H2SO4混合水溶液中的自组装行为。在此基础上，系统的研究了上述的离子液体型高分子(IP7、IP8和IP9)聚集体在稀硫酸水溶液中对铜腐蚀的抑制能力及机理。金属表面分析结果表明，IP7、IP8和IP9聚集体可通过化学络合作用在铜基底上形成致密的吸附膜，且吸附过程符合Langmuir吸附等温模型。极化曲线和电化学阻抗测试结果表明，上述聚集体的缓蚀效率随着高分子重复单元结构中烷基链长增加而呈现小幅度的增加。DFT量子化学计算结果表明，三种高分子重复单元的能隙值遵循以下顺序：IP7＞IP8＞IP9，表明含有较长烷基链的IP9具有更强的缓蚀效果，这一结论与电化学测试结果一致。Mulliken电荷分布进一步揭示了三个高分子重复单元中的咪唑环上的氮原子具有更强的供电子能力。通过MD计算得到的高分子重复单元与铜基底之间的结合能也随着链长增加而增大，很好的验证了实验结果。
⑤设计合成了“A2/A3+B4”拓扑离子型高分子IP10、IP11和IP12，且高分子可在乙醇-硫酸混合溶液中形成规则的微-纳米J型自聚集体。铜表面测试结果表明，IP10、IP11及IP12聚集体可通过分子骨架中咪唑环上的氮原子与Cu(I)络合成键，从而在金属基体上形成致密的保护膜，并且这些吸附膜在稀硫酸水溶液中具有良好的耐腐蚀性能。量子化学计算结果进一步证明了氮原子在化学吸附过程中的重要性。电化学测试结果表明，上述三种聚集体可同时抑制阴极和阳极反应，并以控制阴极腐蚀反应速率为主。另外，三种聚集体对铜腐蚀遵循相似的抑制机理。动力学模拟结果揭示了目标聚集体在金属铜表面的平行吸附构型，并且计算所得的结合能大小顺序为IP10聚集体＜IP11聚集体＜IP12聚集体，这与电化学测试所得缓蚀效率呈良好的正相关，表明分子骨架支化度较大的IP12聚集体对金属铜腐蚀抑制能力更强。
离子型高分子由于具有良好的两亲性、自组装性、热稳定性等而在许多领域都具有广泛应用。基于此，本论文设计合成了一系列具有拓扑结构的离子型高分子，利用其自组装性质，开展了目标离子型高分子聚集体对金属的缓蚀性能研究，揭示了目标高分子的化学结构与缓蚀性能之间的构效关系。
本论文的主要研究工作及成果如下：
①设计合成了新型的含有烷基链的线性咪唑离子液体共聚高分子：IP1和IP2，研究了它们在0.5M H2SO4溶液中的聚集行为。结果表明，IP1和IP2可在稀硫酸溶液中形成规则的聚集体。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼(Raman)光谱、X射线光电子能谱(XPS)揭示了IP1和IP2在铜表面的化学吸附机理。电化学测试结果表明，IP1和IP2分子聚集体可同时抑制铜在稀硫酸溶液中的阳极和阴极腐蚀反应过程，且对阴极反应的抑制作用更为显著。IP1和IP2聚集体在金属表面的吸附行为遵循Langmuir等温吸附模型，通过吸附等温线拟合结果计算得到的热力学参数以及基于密度泛函理论(DFT)的量子化学计算从分子层面上解释了吸附及缓蚀机理。
②设计合成了新型线性固-液离子型高分子IP3和IP4，在0.5M硫酸水溶液中能够发生自组装，形成的聚集体的形貌和尺寸与自组装的浓度和时间表现出依赖关系。通过FT-IR、Raman光谱、XPS谱图等研究了聚集体与铜基底的化学螯合作用。此外，通过不同温度下的极化曲线测试表明IP3、IP4聚集体在金属表面吸附过程中可能存在着物理吸附。电化学测试结果表明，在铜电极上形成的IP3、IP4聚集体缓蚀层在腐蚀性酸性介质中具有良好的耐腐蚀性能。量子化学计算进一步表明，咪唑环是与铜表面螯合的主要活性中心，给电子效应最强的氮原子与亚铜离子反应活性最强。分子动力学模拟(MD)结果揭示了IP3、IP4聚集体与铜表面的平行吸附构型可形成较大的表面覆盖率，并通过计算所得Ebinding值对IP3、IP4聚集体在金属表面的吸附能力进行了量化。
③基于分子预组装，研究了“A2/A3+B3”新型拓扑超支化固态离子型高分子聚集体对铜在硫酸溶液中的抗腐蚀性能。结果表明，所制备的拓扑超支化固态离子型高分子IP5及IP6在乙醇/0.5M H2SO4混合水溶液中可以有序自组装形成规则聚集体，且所得聚集体的形貌和尺寸与聚集浓度及聚集时间表现出依赖关系。金属表面分析结果表明，铜表面形成的IP5、IP6聚集体保护膜主要是通过Cu(I)-N螯合键得到的。此外，通过不同温度下的极化曲线测试表明了物理吸附的存在，且物理吸附可能会促进IP5、IP6聚集体保护层的生长及稳定性。电化学研究结果表明，在铜表面形成的IP5、IP6聚集体保护膜在强腐蚀性的硫酸水溶液中表现出了良好的耐腐蚀性能。此外，HOMOs和LUMOs前线轨道电子云密度和Mulliken电荷的局域分布性以及分子动力学模拟结果表明，咪唑环中的氮原子在化学吸附过程中起着重要的作用。
④设计合成了“A2+B3”拓扑超支化离子液体型高分子，并且研究了其在乙醇/0.5M H2SO4混合水溶液中的自组装行为。在此基础上，系统的研究了上述的离子液体型高分子(IP7、IP8和IP9)聚集体在稀硫酸水溶液中对铜腐蚀的抑制能力及机理。金属表面分析结果表明，IP7、IP8和IP9聚集体可通过化学络合作用在铜基底上形成致密的吸附膜，且吸附过程符合Langmuir吸附等温模型。极化曲线和电化学阻抗测试结果表明，上述聚集体的缓蚀效率随着高分子重复单元结构中烷基链长增加而呈现小幅度的增加。DFT量子化学计算结果表明，三种高分子重复单元的能隙值遵循以下顺序：IP7＞IP8＞IP9，表明含有较长烷基链的IP9具有更强的缓蚀效果，这一结论与电化学测试结果一致。Mulliken电荷分布进一步揭示了三个高分子重复单元中的咪唑环上的氮原子具有更强的供电子能力。通过MD计算得到的高分子重复单元与铜基底之间的结合能也随着链长增加而增大，很好的验证了实验结果。
⑤设计合成了“A2/A3+B4”拓扑离子型高分子IP10、IP11和IP12，且高分子可在乙醇-硫酸混合溶液中形成规则的微-纳米J型自聚集体。铜表面测试结果表明，IP10、IP11及IP12聚集体可通过分子骨架中咪唑环上的氮原子与Cu(I)络合成键，从而在金属基体上形成致密的保护膜，并且这些吸附膜在稀硫酸水溶液中具有良好的耐腐蚀性能。量子化学计算结果进一步证明了氮原子在化学吸附过程中的重要性。电化学测试结果表明，上述三种聚集体可同时抑制阴极和阳极反应，并以控制阴极腐蚀反应速率为主。另外，三种聚集体对铜腐蚀遵循相似的抑制机理。动力学模拟结果揭示了目标聚集体在金属铜表面的平行吸附构型，并且计算所得的结合能大小顺序为IP10聚集体＜IP11聚集体＜IP12聚集体，这与电化学测试所得缓蚀效率呈良好的正相关，表明分子骨架支化度较大的IP12聚集体对金属铜腐蚀抑制能力更强。