一种微波制备氮掺杂碳纳米球的制备方法及其应用

本发明涉及润滑材料制备，特别是涉及一种微波制备氮掺杂碳纳米球的制备方法。

背景技术：

1、近年来，摩擦磨损已成为造成材料和能源消耗的主要因素之一。降低摩擦系数和磨损率对于提高金属加工工艺的效率，延长机械设备的使用寿命具有重要应用价值。虽然目前常含有硫、磷、氯等有机化合物和金属盐及胺盐的润滑液添加剂，是开发最早、应用最为成熟且被广泛使用的传统润滑添加剂。但是在使用过程中产生大量有毒气体，很容易对环境产生污染，而且不能满足现代机械设备向高速、高温和高载荷方向发展的润滑性能要求。因此开发新型高效且环境友好型的润滑添加剂具有重要意义。

2、本发明合成的氮掺杂碳纳米球是具有润滑性能的纳米材料，其一，本身具有许多独特的性质，比如尺寸小、比表面积大、硬度大、热稳定、高扩散性、高延展性等，使得它作为润滑添加剂具有优良的减摩抗磨和修复作用，并且其承载能力较高，能够适用于较苛刻的工况条件。其二，该纳米球可充当纳米滚珠轴承，通过滚动-滑动方式实现低摩擦、高耐磨性能。作为润滑液添加剂，从而能够显著提升机械零件的使用寿命，将有望成为一种环保的高性能润滑液添加剂应用于工业中。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种微波制备氮掺杂碳纳米球的制备方法，为了解决上述现有问题提供一种切实可行的方案。通过简便的制备过程实现氮掺杂碳纳米球优异的润滑性能，满足大批量生产需求。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种微波制备氮掺杂碳纳米球的制备方法，其特征在于，该氮掺杂碳纳米球颗粒是通过微波合成技术，在其功率800w的状态下，采用多次加热方式，对碳源(石墨、萘)和氮源(2-氨基吡啶、吡啶、三聚氰胺)的混合粉末进行微波加热，即可获得氮掺杂碳纳米球颗粒。

4、进一步地，以摩尔份为单位，包括以下原材料：碳源1份，氮源1-4份(吡啶为1-3m1)。

5、进一步地，所述碳源材料为石墨，及石墨与萘的混合物。优选的是石墨和萘以1∶1混合作为碳源。

6、进一步地，所述氮掺杂的含氮杂环有机化合物为2-氨基吡啶、吡啶、三聚氰胺三者中的一种。优选的是三聚氰胺化合物作为氮源。

7、本发明提供一种微波制备氮掺杂碳纳米球的制备方法，包括以下步骤：

8、将称取的碳源和氮源按照摩尔比例1∶1-4混合，在玛瑙研钵体中研磨3-8min，制得混合物；

9、(2)将步骤(1)得到的混合粉末放入微波专用的玻璃杯中，加上盖玻片，然后放入微波炉中，微波功率800w，进行微波加热处理；

10、(3)步骤(2)中微波加热方案为，每30s一次，重复加热4次，即得所述的氮掺杂碳纳米球。

11、进一步地，所述碳源和氮源按照摩尔比例1∶1-4混合，在玛瑙研钵体中研磨3-8min，制得混合物。优选的是摩尔质量比为1∶2混合，在玛瑙研钵体中研磨5min，制得混合物。

12、进一步地，所述碳纳米球直径为100-300nm。

13、本发明还提供一种微波制备氮掺杂碳纳米球颗粒在润滑领域的应用。

14、本发明公开了以下技术效果：

15、(1)本发明氮掺杂碳纳米球颗粒的制备过程简便、可大批量生产。通过微波合成技术，采用多次加热方式，加热石墨、萘和三聚氰胺的混合粉末，即可获得氮掺杂碳纳米球颗粒。

16、(2)本发明氮掺杂碳纳米球作为润滑性能的纳米材料，其本身具有许多独特的性质，比如尺寸小、比表面积大、硬度大、热稳定、高扩散性、高延展性等。使得它作为润滑添加剂具有优良的减摩抗磨和修复作用，并且其承载能力较高，能够适用于较苛刻的工况条件。

17、(3)本发明合成的氮掺杂碳纳米球是具有润滑性能的固体润滑材料，该纳米球可充当纳米滚珠轴承，通过滚动-滑动方式实现低摩擦、高耐磨性能，显著降低零件摩擦导致的能量损耗和磨损失效。

18、(4)本发明合成的氮掺杂碳纳米球作为润滑液添加剂，从而能够显著提升机械零件的使用寿命，将有望成为一种环保的高性能润滑液添加剂应用于工业中。

技术特征：

1.一种微波制备氮掺杂碳纳米球的制备方法，其特征在于，该氮掺杂碳纳米球颗粒是通过微波合成技术，在其功率800w的状态下，采用多次加热方式，对碳源(石墨、萘)和氮源(2-氨基吡啶、吡啶、三聚氰胺)的混合粉末进行微波加热，即可获得氮掺杂碳纳米球颗粒。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以摩尔份为单位，包括以下原材料：碳源1份，氮源1-4份(吡啶为1-3ml)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以摩尔份为单位，包括以下原材料：碳源1份，氮源2份(吡啶为1ml)。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源材料为石墨，及石墨与萘的混合物。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮源是含氮杂环有机化合物，为2-氨基吡啶、吡啶、三聚氰胺三者中一种。

6.根据权利要求1-5所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的微波制备氮掺杂碳纳米球的制备方法，其特征在于，所述碳纳米球直径为100-300nm。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述制备方法制备得到的氮掺杂碳纳米球在润滑领域的应用。

技术总结
本发明公开了一种微波制备氮掺杂碳纳米球的制备方法，包括以下步骤：通过微波合成技术，在其功率800W的状态下，采用多次加热方式，对碳源(石墨、萘)和氮源(2‑氨基吡啶、吡啶、三聚氰胺)构成的混合粉末进行微波加热，即可获得氮掺杂碳纳米球颗粒。本发明中的原材料不需要复杂加工处理，制备工艺简单，效率高，可大规模制备氮掺杂碳纳米球。本发明通过微波加热方式，可以制备出氮含量高达约65％，直径为100‑300nm的氮掺杂碳纳米球。本发明合成的氮掺杂碳纳米球是具有低摩擦磨损性能的润滑材料，该纳米球可充当纳米滚珠轴承，通过滚动‑滑动方式实现低摩擦、高耐磨性能，可作为润滑涂层、润滑油添加剂和自润滑复合材料。

技术研发人员：孙阳,商凤琴,杨瑞瑞,方运祺,章晶,沈杭燕,程芳,刘薇,刘明,邓新宇
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15