一种表面镀金属摩擦催化材料、制备方法及应用与流程

本发明涉及摩擦催化剂开发技术领域，具体是涉及一种表面镀金属摩擦催化材料、制备方法及应用。

背景技术：

稻壳是水稻的外壳，属于农业废弃物，外壳坚硬，密度小，一般作为燃料，直接提供热能。资源化利用稻壳粉，避免对环境造成二次污染。稻壳壁厚度约24～30μm，由厚壁细胞组成，主要成分是粗纤维(纤维素、木质素和半纤维素)、灰分、少量粗蛋白和无机盐类等。稻壳通过发酵等处理，可作为牲畜的饲料，亦可制备为固体燃料棒、生物质燃油、白炭黑等功能材料。

将稻壳制备成摩擦材料添加剂的研究较多。日本yamaguchi课题组(t.dugarjav,et.tribologyonline,4(2009),11–16.)，利用高温炭化的方法制备出稻壳或秸秆基陶瓷颗粒，开发受电弓滑板等耐磨、耐腐蚀及热、化学稳定等特性材料的开发。合肥学院胡恩柱课题组尝试将稻壳粉制备成纳米功能材料，添加到基础润滑油中改善液体石墨的润滑特性(enzhuhu,et.al.tribologyinternational,103(2016),139–148)。此外，发现利用tif3和fef3等纳米材料，添加到碳烟污染的润滑油中，可改善润滑油的润滑特性，其机制归于催化剂催化碳烟微粒在摩擦副界面结构转变，致使摩擦膜易于形成(enzhuhu,et.al.tribologyinternational,107(2017),163–172)。

而对于将稻壳制备成摩擦催化剂材料研究较少。有鉴于次，本发明重点涉及一种表面镀金属摩擦催化材料、制备方法及应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于实现生物质原料的资源化利用，进而开发出一种工艺简单、可以宏量生产的表面镀金属摩擦催化材料、制备方法及应用。可实现生物质资源的充分利用，且工艺安全环保。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种表面镀金属摩擦催化材料，以生物质碳化制备的微纳米颗粒为负载体，催化活性金属粒子附着于生物质负载体界面；生物质微纳米颗粒选自生物基陶瓷微粒、碳量子点微粒，催化活性金属粒子选自cu、au、ni或ag纳米颗粒。

一种表面镀金属摩擦催化材料的制备方法，首先以生物质碳化制备生物质微纳米颗粒，然后通过预处理后再进行化学镀或共沉淀法实现催化活性金属粒子在生物质微纳米颗粒界面的附着。

作为本发明的表面镀金属摩擦催化材料的制备方法的优选技术方案，制备步骤如下：

1)、生物质微纳米颗粒的预处理

向10g的生物质微纳米颗粒中添加100～200ml的无水乙醇或丙酮进行除油，然后依次加入80～200ml浓度为10～30g/l的氯化亚锡进行敏化，加入80～200ml浓度为0.5～2g/l的氯化钯进行活化，加入80～200ml浓度为20～40g/l的次亚磷酸钠进行还原，使得生物质微纳米颗粒形成催化活性中心；最后水洗获得预处理颗粒，自然干燥，待用；

2)、化学镀法制备表面镀金属摩擦催化材料

取1～10g的预处理生物质微纳米颗粒于50～250ml的化学镀液中施镀，施镀时间为40～80min，施镀温度为20～50℃；然后过滤，干燥，即可获得表面镀金属摩擦催化材料；

配制1l化学镀液成分为10～20g的硫酸铜或硝酸镍或水合四硝酸金酸或氯化银、30～50g的酒石酸钠、5～15g的氢氧化钠、30～40g的碳酸钠、1～8g的氯化镍，化学镀中还原剂为浓度为0.01～0.1l的甲醛溶液。

作为本发明的表面镀金属摩擦催化材料的制备方法的另一种优选技术方案，制备步骤如下：

1)、生物质微纳米颗粒的预处理

向10g的生物质微纳米颗粒中添加100～200ml的无水乙醇或丙酮进行除油，自然干燥，待用；

2)、共沉淀法制备表面镀金属摩擦催化材料

取1～10g的预处理生物质微纳米颗粒于50～250ml浓度为0.04～0.2g/ml的水合四硝酸金酸溶液或氯化银溶液或氯化铜溶液或硝酸镍溶液中进行共沉淀反应，反应时间为60～150min，反应温度为室温；然后过滤，干燥，即可获得表面镀金属摩擦催化材料。

作为本发明的表面镀金属摩擦催化材料的制备方法的进一步优选技术方案，生物质微纳米颗粒的制备步骤如下：

①、利用破碎机将生物质原料破碎，用无水乙醇浸渍洗涤生物质原料粉末，之后烘干，待用；

②、将烘干的生物质原料粉末与胶粘剂均匀混和，然后放入管式炉中进行高温炭化，获得生物质基陶瓷团聚颗粒；

③、将生物质基陶瓷团聚颗粒加入行星式球磨机中球磨，进而获取细化的生物基陶瓷微粒。

上述生物基陶瓷微粒的制备方法中，步骤①中生物质原料破碎至粒度达到10～100目，每10g生物质原料粉末中添加100～200ml的无水乙醇；步骤②中使用的胶粘剂为聚酰亚胺树脂或聚乙烯树脂，生物质原料粉末与胶粘剂的重量比为1～4：1，高温炭化反应时反应温度为1000～1200℃，反应时间为2～5h，高温炭化反应在惰性气体保护下进行的；步骤③中在行星式球磨机中球磨时间为30min。

作为本发明的表面镀金属摩擦催化材料的制备方法的另一种进一步优选技术方案，生物质微纳米颗粒的制备步骤如下：

①、利用破碎机将生物质原料破碎，用无水乙醇洗涤生物质粉末，之后烘干，待用；

②、将生物质粉末与强碱溶液混合，加热、搅拌，然后洗涤至中性，烘干，待用；

③、将强碱处理后的生物质粉末置于管式炉中，保护气氛下高温煅烧，冷却至室温，取出球磨；

④、将球磨后的生物质碳颗粒加入到含强氧化剂、强酸溶液中，加热、搅拌；

⑤、用去离子水将反应液稀释，然后逐滴加入氢氧化钠溶液，直至溶液ph值为中性；

⑥、将反应液置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行水热反应，反应结束后过滤、冷冻干燥，即获得碳量子点微粒。

上述碳量子点微粒的制备方法中，步骤①中生物质原料破碎至粒度达到50～400目，每5～20g生物质粉末使用100ml无水乙醇洗涤；步骤②中生物质粉末与强碱的质量比为1：1～4，使用的强碱为氢氧化钠或氢氧化钾，加热温度为80～100℃，搅拌时间为4～6h；步骤③中煅烧温度为750～800℃，煅烧时间为1～3h，球磨时间为4～6h；步骤④中每0.3～0.5g的生物质碳颗粒中添加80～100ml的强酸溶液、0.9～1.2g的强氧化剂；加热温度为80～120℃，搅拌时间为1～3h；步骤④中使用的强酸溶液为体积比为2.5～3.5：1的硫酸和硝酸，使用的强氧化剂为高锰酸钾；步骤⑤中氢氧化钠浓度为0.25～0.5g/ml；步骤⑥中水热反应温度为160～180℃，反应时间为4～6h。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)、本发明制备的摩擦催化剂的特点是以生物质碳为载体，催化活性纳米金属负载其表面，将其添加到金属或高分子材料中，摩擦诱导催化剂催化碳微粒结构转变，达到改善复合材料摩擦学性能。同时可实现生物质资源的充分利用，且工艺安全环保。

2)、通过实验证实，利用稻壳等生物质制备表面镀覆纳米金属的摩擦催化剂的方法是可行的，且添加到润滑油或合金材料中，摩擦催化摩擦副材料结构的转变是有理可依的。本发明不仅可实现生物质资源化利用，而且丰富了生物质碳的摩擦学机理，提高了润滑油和合金摩擦材料的抗磨减摩功能，具有重要的理论意义和应用价值。

附图说明

图1为稻壳基陶瓷颗粒、表面镀镍摩擦催化材料和表面镀铜摩擦催化材料的光学图片。

图2为表面镀铜摩擦催化剂材料在铁基复合材料中的摩擦学性能图(a)和磨损率图(b)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一、稻壳基陶瓷颗粒的制备，步骤如下：

①、利用破碎机将稻壳破碎至粒度达到100目，用160ml的无水乙醇浸渍洗涤10g稻壳粉末30min，之后烘干，待用；

②、将烘干的稻壳粉末与聚乙烯树脂按照重量比为3：1均匀混和，然后放入管式炉中，在温度1200℃下，氩气保护下，炭化3h，获得稻壳基陶瓷团聚颗粒；

③、将稻壳基陶瓷团聚颗粒加入行星式球磨机中球磨30min，进而获取细化的稻壳基陶瓷颗粒。

二、稻壳基陶瓷颗粒的预处理

向10g的稻壳基陶瓷颗粒中添加150ml的无水乙醇进行除油，自然干燥，待用；

三、共沉淀法制备表面镀镍、铜摩擦催化材料

取10g的预处理稻壳基陶瓷颗粒于100ml浓度为0.2g/ml的硝酸镍溶液中进行共沉淀反应，反应时间为90min，反应温度为室温；然后过滤，干燥，即可获得表面镀镍摩擦催化材料。

另外，取10g的预处理稻壳基陶瓷颗粒于100ml浓度为0.2g/ml的氯化铜溶液中进行共沉淀反应，反应时间为90min，反应温度为室温；然后过滤，干燥，即可获得表面镀铜摩擦催化材料。

图1为稻壳基陶瓷颗粒、表面镀镍摩擦催化材料和表面镀铜摩擦催化材料的光学图片，通过图1可以看出镀镍或镀铜的摩擦催化材料表面颜色明显不同于未镀金属的稻壳基陶瓷基颗粒，这说明表面金属化摩擦催化剂能够被成功制备。

将本实施例制备的表面镀铜摩擦催化材料按照不同添加量(0、1wt％、3wt％、5wt％、7wt％、10wt％)添加至轴承用铁基材料中，再对其研究摩擦学特性。

图2为表面镀铜摩擦催化剂材料在铁基复合材料中的摩擦学性能图(a)和磨损率图(b)，通过图2可以看出添加5wt％和7wt％的表面镀铜摩擦催化剂材料后，铁基复合材料的摩擦系数和磨损率最小。

实施例2

一、稻壳碳量子点微粒的制备，步骤如下：

①、利用破碎机将稻壳粉破碎至粒度达到100目，用100ml无水乙醇洗涤5g稻壳粉，之后烘干，待用。

②、将烘干的稻壳粉加入到10ml浓度为0.5g/ml的氢氧化钠溶液中，水浴加热至900℃搅拌5h，然后洗涤至中性，烘干，待用。

③、将强碱处理后的稻壳粉置于管式炉中，保护气氛下750℃煅烧3h，冷却至室温，取出球磨6h。

④、取0.5g球磨后的稻壳碳颗粒加入到90ml强酸溶液(硫酸和硝酸体积比为2.5：1)、0.9g的高锰酸钾中混合均匀，水浴加热至100℃搅拌2h。

⑤、用去离子水将反应液稀释，然后逐滴加入0.25g/ml的氢氧化钠溶液，直至溶液ph值为中性。

⑥、将反应液置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行水热反应，反应温度为170℃，反应时间为5h，反应结束后过滤、冷冻干燥，即获得稻壳碳量子点微粒。

二、稻壳碳量子点微粒的预处理

向10g的稻壳碳量子点微粒中添加100ml的丙酮进行除油，然后依次加入200ml浓度为10g/l的氯化亚锡进行敏化，加入200ml浓度为0.5g/l的氯化钯进行活化，加入200ml浓度为20g/l的次亚磷酸钠进行还原，使得稻壳碳量子点微粒形成催化活性中心；最后水洗获得预处理颗粒，自然干燥，待用；

三、化学镀法制备表面镀镍摩擦催化材料

取5g的预处理稻壳碳量子点微粒于150ml的化学镀液中施镀，施镀时间为60min，施镀温度为35℃；然后过滤，干燥，即可获得表面镀镍摩擦催化材料；

配制1l化学镀液成分为15g的硝酸镍、40g的酒石酸钠、10g的氢氧化钠、35g的碳酸钠、4.5g的氯化镍，化学镀中还原剂为浓度为0.05l的甲醛溶液。

实施例3

一、麦秸秆碳量子点微粒的制备，步骤如下：

①、利用破碎机将麦秸秆破碎至粒度达到60目，用100ml无水乙醇洗涤15g麦秸秆粉，之后烘干，待用。

②、将烘干的麦秸秆粉加入到37.5ml浓度为1g/ml的氢氧化钾溶液中，水浴加热至80℃搅拌6h，然后洗涤至中性，烘干，待用。

③、将强碱处理后的麦秸秆粉置于管式炉中，保护气氛下800℃煅烧1h，冷却至室温，取出球磨4h。

④、取0.3g球磨后的麦秸秆碳颗粒加入到80ml强酸溶液(硫酸和硝酸体积比为3：1)、1.2g的高锰酸钾中混合均匀，水浴加热至80℃搅拌3h。

⑤、用去离子水将反应液稀释，然后逐滴加入0.4g/ml的氢氧化钠溶液，直至溶液ph值为中性。

⑥、将反应液置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行水热反应，反应温度为160℃，反应时间为6h，反应结束后过滤、冷冻干燥，即获得麦秸秆碳量子点微粒。

二、麦秸秆碳量子点微粒的预处理

向10g的麦秸秆碳量子点微粒中添加200ml的无水乙醇进行除油，自然干燥，待用；

三、共沉淀法制备表面镀金摩擦催化材料

取1g的预处理麦秸秆碳量子点微粒于250ml浓度为0.04g/ml的水合四硝酸金酸溶液中进行共沉淀反应，反应时间为150min，反应温度为室温；然后过滤，干燥，即可获得表面镀金摩擦催化材料。

实施例4

一、花生壳碳量子点微粒的制备，步骤如下：

①、利用破碎机将花生壳破碎至粒度达到350目，用100ml无水乙醇洗涤20g花生壳粉，之后烘干，待用。

②、将烘干的花生壳粉加入到80ml浓度为1g/ml的氢氧化钠溶液中，水浴加热至100℃搅拌4h，然后洗涤至中性，烘干，待用。

③、将强碱处理后的花生壳粉置于管式炉中，保护气氛下780℃煅烧2h，冷却至室温，取出球磨5h。

④、取0.4g球磨后的花生壳碳颗粒加入到100ml强酸溶液(硫酸和硝酸体积比为3.5：1)、1g的高锰酸钾中混合均匀，水浴加热至120℃搅拌1h。

⑤、用去离子水将反应液稀释，然后逐滴加入0.5g/ml的氢氧化钠溶液，直至溶液ph值为中性。

⑥、将反应液置于聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为4h，反应结束后过滤、冷冻干燥，即获得花生壳碳量子点微粒。

二、花生壳碳量子点微粒的预处理

向10g的花生壳碳量子点微粒中添加200ml的丙酮进行除油，然后依次加入80ml浓度为30g/l的氯化亚锡进行敏化，加入80ml浓度为2g/l的氯化钯进行活化，加入80ml浓度为40g/l的次亚磷酸钠进行还原，使得花生壳碳量子点微粒形成催化活性中心；最后水洗获得预处理颗粒，自然干燥，待用；

三、化学镀法制备表面镀铜摩擦催化材料

取1g的预处理花生壳碳量子点微粒于250ml的化学镀液中施镀，施镀时间为40min，施镀温度为50℃；然后过滤，干燥，即可获得表面镀铜摩擦催化材料；

配制1l化学镀液成分为10g的硫酸铜、50g的酒石酸钠、5g的氢氧化钠、40g的碳酸钠、1g的氯化镍，化学镀中还原剂为浓度为0.1l的甲醛溶液。

实施例5

一、棉秆基陶瓷颗粒的制备，步骤如下：

①、利用破碎机将棉秆破碎至粒度达到10目，用100ml的无水乙醇浸渍洗涤10g棉秆粉末30min，之后烘干，待用；

②、将烘干的棉秆粉末与聚酰亚胺树脂按照重量比为4：1均匀混和，然后放入管式炉中，在温度1200℃下，氮气保护下，炭化2h，获得棉秆基陶瓷团聚颗粒；

③、将棉秆基陶瓷团聚颗粒加入行星式球磨机中球磨30min，进而获取细化的棉秆基陶瓷颗粒。

二、棉秆基陶瓷颗粒的预处理

向10g的棉秆基陶瓷颗粒中添加150ml的无水乙醇进行除油，自然干燥，待用；

三、共沉淀法制备表面镀银摩擦催化材料

取5g的预处理棉秆基陶瓷颗粒于150ml浓度为0.12g/ml的氯化银溶液中进行共沉淀反应，反应时间为100min，反应温度为室温；然后过滤，干燥，即可获得表面镀银摩擦催化材料。

实施例6

一、麦秸秆基陶瓷颗粒的制备，步骤如下：

①、利用破碎机将麦秸秆质破碎至粒度达到50目，用150ml的无水乙醇浸渍洗涤10g麦秸秆质粉末30min，之后烘干，待用；

②、将烘干的麦秸秆质粉末与聚酰亚胺树脂按照重量比为3：1均匀混和，然后放入管式炉中，在温度1000℃下，氩气保护下，炭化5h，获得麦秸秆基陶瓷团聚颗粒；

③、将麦秸秆基陶瓷团聚颗粒加入行星式球磨机中球磨30min，进而获取细化的麦秸秆基陶瓷颗粒。

二、麦秸秆基陶瓷颗粒的预处理

向10g的麦秸秆基陶瓷颗粒中添加150ml的丙酮进行除油，然后依次加入150ml浓度为20g/l的氯化亚锡进行敏化，加入140ml浓度为1.5g/l的氯化钯进行活化，加入160ml浓度为30g/l的次亚磷酸钠进行还原，使得麦秸秆基陶瓷颗粒形成催化活性中心；最后水洗获得预处理颗粒，自然干燥，待用；

三、化学镀法制备表面镀银摩擦催化材料

取10g的预处理麦秸秆基陶瓷颗粒于50ml的化学镀液中施镀，施镀时间为80min，施镀温度为20℃；然后过滤，干燥，即可获得表面镀银摩擦催化材料；

配制1l化学镀液成分为20g的氯化银、30g的酒石酸钠、15g的氢氧化钠、30g的碳酸钠、8g的氯化镍，化学镀中还原剂为浓度为0.01l的甲醛溶液。

实施例7

一、甘蔗渣基陶瓷颗粒的制备，步骤如下：

①、利用破碎机将甘蔗渣破碎至粒度达到100目，用200ml的无水乙醇浸渍洗涤10g甘蔗渣粉末30min，之后烘干，待用；

②、将烘干的甘蔗渣粉末与聚乙烯树脂按照重量比为2：1均匀混和，然后放入管式炉中，在温度1100℃下，氩气保护下，炭化3h，获得甘蔗渣基陶瓷团聚颗粒；

③、将甘蔗渣基陶瓷团聚颗粒加入行星式球磨机中球磨30min，进而获取细化的甘蔗渣基陶瓷颗粒。

二、甘蔗渣基陶瓷颗粒的预处理

向10g的甘蔗渣基陶瓷颗粒中添加100ml的无水乙醇进行除油，自然干燥，待用；

三、共沉淀法制备表面镀镍摩擦催化材料

取10g的预处理甘蔗渣基陶瓷颗粒于50ml浓度为0.2g/ml的硝酸镍溶液中进行共沉淀反应，反应时间为60min，反应温度为室温；然后过滤，干燥，即可获得表面镀镍摩擦催化材料。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。