本项研究的标题为“Study on structure and molecular scale protection mechanism of green Ce,N-CDs anti-bacterial and anti-corrosive inhibitor”，发表在《Journal of Materials Research and Technology》期刊的第28卷（2024年第3865至3881页），文章在2023年12月27日正式上线，由著名出版商Elsevier B.V.负责出版。本文的主要作者包括Zhiji Tang、Weilong Huang、Lin Liu、Huichen Li、Hongliang Meng、Tianxiang Zeng、Xinyun Ye、Qiuhua Jiang、Y.W. Ye和Yuehua Liu，以上研究人员分别来自赣州市人民医院、赣南医学院、江西理工大学等机构。
该研究聚焦碳点(Carbon Dots, CDs)作为环保型抗菌和抗腐蚀抑制剂的应用，属于材料科学与环境化学交叉领域。铜是一种广泛应用于电气、轻工业、机械制造、建筑和国防工业的金属材料，但其使用过程中的安全性和稳定性受到了复杂和恶劣环境（例如腐蚀性离子、温度变化等）的威胁。传统的金属保护剂虽然性能优良，但普遍存在环境污染问题，如铬酸盐、汞盐和含磷化合物等。因此，开发绿色、高效的替代抑制剂成为当前的迫切需求。以碳点为核心材料的抑制剂由于其良好的水溶性、低成本及环保特性在抗腐蚀领域展示了巨大潜力，而掺杂元素（如氮、稀土金属铈）的碳点可以优化其结构与保护性能。本研究旨在通过制备并表征掺铈氮化碳点（Ce,N-CDs），探索其抗菌与抑制铜腐蚀的机理，从分子层面揭示其保护机制。
研究的实验流程可以分为以下几个阶段：
1. 材料制备
研究中采用L-组氨酸（L-histidine）和六水硝酸铈（Ce(NO₃)₃·6H₂O）作为原料，利用水热法制备掺铈碳点。首先，按照不同的质量比（0%、5%、10%、20%）称取L-组氨酸和硝酸铈，并溶解在20 mL去离子水中超声至溶解。混合溶液转移至高压反应釜中，200°C条件下反应6小时。最终产物经三次过滤和离心后干燥48小时完成制备。
2. 样品表征
用傅立叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、X射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）等设备对样品的结构进行分析，包括样品的化学键、电子结构以及形貌特征。
3. 抗菌性能评价
通过平板计数法对掺铈碳点的抗菌性能进行系统测试。实验设置包含空白组以及按铈含量增加的4个样品组。实验选用大肠杆菌（Escherichia coli）作为测试菌株。
4. 抗腐蚀性能测试
研究了掺铈碳点在不同温度（308K、318K和323K）及浓度下对铜的抗腐蚀性能。实验采用电化学阻抗谱（EIS）、塔菲尔极化曲线和失重法对样品进行分析，观察其抑制效率。
5. 分子机制仿真实验
采用量子化学（QC）和分子动力学（MD）进行仿真计算，通过Gaussian 09W、Gaussview 6.0.16和Materials Studio等软件优化抑制剂分子结构并模拟其在铜表面吸附的行为。
1. 材料表征
FTIR结果表明掺铈碳点（Ce,N-CDs）与未掺杂碳点（N-CDs）具有相似的化学基团，但在铈掺杂后C-H拉伸峰被抑制，说明铈的引入改变了分子结构。TEM测试显示掺铈碳点呈椭球型，尺寸分布从2-4 nm增加至3-5 nm，且掺铈碳点具有较高的晶体结构并具备良好的水溶性。XPS分析证实了C1s、N1s、O1s和Ce2p的存在，铈的存在形成为Ce³⁺和Ce⁴⁺两种状态。
2. 抗菌性能
相比空白样品，掺铈碳点显著抑制了大肠杆菌的生长。随Ce(NO₃)₃·6H₂O含量增加，抑菌率显著提升，最高达到94.27%。形貌学观察显示，受掺铈碳点处理后，大肠杆菌菌株结构受损并表现出死亡趋势。
3. 抗腐蚀性能
在308K到323K的不同温度下，电化学测试结果表明掺铈碳点通过形成Ce含量的钝化膜和N-Cu键，有效抑制了铜在腐蚀环境中的腐蚀行为。如失重实验所示，铜的腐蚀失重率（WL）在掺铈碳点（200 mg/L）中大幅下降，并随环境温度变化表现出良好的稳定性。
4. 分子机制分析
量子化学与分子动力学仿真表明，掺铈碳点发生物理-化学协同吸附，其ΔG⁰_ads为-29.4至-37.2 kJ/mol，表明其吸附类型为物理与化学协同吸附，而N-Cu键的形成以及Ce-O钝化膜的存在则进一步增强了碳点在铜表面的吸附能力。模拟计算中结合能（E_binding）高达324 kJ/mol，指出其保护能力优越。
本研究提供了开发环保型金属保护材料的全新思路，掺铈碳点的成功制备与表征展现了替代传统污染性抑制剂的潜能，在金属防腐领域和抗菌纳米材料领域具有广泛的工业和学术应用前景。