阐明负载在MOFs（金属有机框架）上的银纳米颗粒的摩擦催化润滑机制

《Advanced Materials Interfaces》：Elucidating the Friction Catalytic Lubrication Mechanism of Ag Nanoparticles Loaded on MOFs

纳米复合材料润滑添加剂的研究：通过超声辅助合成2D Co-BDC纳米片并负载Ag纳米颗粒，形成Ag@Co-BDC纳米复合材料。该材料在PAO10基油中表现出优异的减摩和抗磨性能，摩擦系数降低16.7%，磨损率减少61.5%。机理研究显示，Ag@Co-BDC通过促进界面氧化反应形成保护性三端膜，同时Ag纳米颗粒的滚动效应和Co-BDC的催化活性协同作用实现性能提升。

　　在现代工业中，摩擦与磨损是影响设备性能和使用寿命的关键因素之一。据统计，全球范围内因摩擦造成的能量损耗占总能耗的23%。此外，摩擦引发的磨损问题可能导致机械故障，甚至引发严重事故。因此，润滑技术在减少摩擦和磨损方面具有重要意义，而润滑添加剂的引入则进一步提升了润滑油的性能。近年来，纳米添加剂因其表面效应、纳米尺寸效应和量子效应，受到越来越多的关注，这些特性使得它们在提高润滑性能方面表现出色。纳米添加剂还具备较强的摩擦催化能力，能够在摩擦过程中促进保护性摩擦膜的形成，从而有效降低摩擦系数和磨损率。此外，与传统的含磷或含硫添加剂相比，纳米添加剂对设备的损伤较小，且更具环保性。通常，纳米添加剂主要包括金属或金属氧化物、二维层状结构以及复合材料等。

在这一背景下，金属有机框架（MOFs）作为一种新型材料，因其丰富的催化活性位点和良好的分散稳定性，逐渐成为润滑添加剂研究的热点。相比传统纳米颗粒，MOFs在润滑领域展现出更广阔的应用前景。例如，Wu等人将二烷基二硫代磷酸（DDP）功能化的锆金属有机框架（UiO-66和UiO-67）纳米颗粒作为500SN润滑油的添加剂，发现当负载为5N时，摩擦系数降低了52.4%，磨损率下降了25.3%。Yu等人则合成三种不同金属离子的二维MOFs，发现Ni-BDC具有最佳的摩擦学性能，摩擦系数降低32.2%，磨损率下降98.7%。此外，Zhu等人在HNTs表面生长Ni-BTC作为润滑添加剂，发现Ni-BTC提升了基油中的分散稳定性，且在100N负载条件下，摩擦系数和磨损率分别降低了39.7%和29.4%。这些研究表明，MOFs与其它纳米材料的结合能够进一步改善润滑性能。

然而，尽管已有多项研究探讨了纳米添加剂在摩擦学性能方面的提升，其背后的摩擦化学机制仍较为复杂，难以准确表征。为此，本文引入宏观反应方法，以探究润滑添加剂与基础油在摩擦过程中的相互作用。钴苯二甲酸（Co-BDC）是一种具有高比表面积和丰富活性位点的MOFs，相较于三维结构，二维结构的Co-BDC具有更易接近的活性位点，从而表现出更优异的催化性能。然而，由于其高表面能，二维Co-BDC纳米片容易发生聚集，这不仅降低了其在润滑油中的分散稳定性，也影响了其催化效率。为了解决这一问题，本文通过超声波辅助合成方法制备了二维Co-BDC纳米片，并通过化学吸附方法在其表面负载银纳米颗粒，从而形成Ag@Co-BDC纳米复合材料。银纳米颗粒因其独特的表面等离子体共振效应和优异的摩擦催化活性，能够有效降低摩擦系数和磨损率。此外，银纳米颗粒的引入还能防止Co-BDC纳米片的聚集，从而提升其在基础油中的分散稳定性。

为了验证Ag@Co-BDC纳米复合材料的摩擦学性能，本文采用球盘摩擦磨损试验机，在不同的负载和转速条件下对PAO10基础油进行了测试。实验结果表明，当负载为50N时，纯PAO10的摩擦系数在摩擦开始时为0.11，随后逐渐上升至0.123。而当添加0.1 wt.% Co-BDC纳米片时，摩擦系数略有上升，但磨损率显著下降。当添加Ag@Co-BDC纳米复合材料时，摩擦系数随着添加浓度的增加而降低，且在0.5 wt.%时达到最佳效果，摩擦系数稳定在0.09，相比纯PAO10降低了26.8%。磨损率也随着Ag@Co-BDC纳米复合材料的添加而显著下降，0.1 wt.%时磨损率降低50.5%，0.5 wt.%时降低47.32%。此外，当负载增加至100N时，摩擦系数进一步下降，表明Ag@Co-BDC纳米复合材料在高负载条件下仍表现出良好的润滑性能。同时，Ag@Co-BDC纳米复合材料在不同转速下均能有效降低摩擦系数和磨损率，尤其是在高转速条件下，其摩擦学性能更加显著。

为了进一步探究Ag@Co-BDC纳米复合材料的抗摩擦和抗磨损机制，本文利用三维轮廓仪对摩擦后的磨损痕迹进行了分析。结果表明，PAO10基础油的磨损痕迹宽度约为0.4mm，且磨损痕迹中存在较深的沟槽。当添加Co-BDC纳米片时，磨损痕迹的深度和宽度有所减小，且表面粗糙度显著降低。而添加Ag@Co-BDC纳米复合材料后，磨损痕迹更加平滑，且表面粗糙度进一步下降。通过扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线光谱（EDS）对磨损痕迹的元素分布进行了分析，发现Ag@Co-BDC纳米复合材料在摩擦过程中促进了氧化反应，使得磨损痕迹中氧元素的含量增加，从而提升了润滑性能。同时，X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱分析进一步证实了Ag@Co-BDC纳米复合材料在摩擦过程中促进了金属氧化物和碳基材料的形成，这些材料在摩擦界面形成了保护性的摩擦膜，从而有效降低了摩擦系数和磨损率。

此外，本文还通过宏观反应实验，研究了Ag@Co-BDC纳米复合材料对基础油的催化作用。实验结果显示，Ag@Co-BDC纳米复合材料在110°C和1000rpm的条件下，能够促进基础油的氧化反应，并生成碳基材料。这些材料在摩擦过程中吸附于Ag@Co-BDC纳米复合材料的表面，从而形成更稳定的摩擦膜。FTIR和1H NMR分析进一步揭示了Ag@Co-BDC纳米复合材料在摩擦过程中对基础油的氧化作用。通过对比反应前后的XRD和拉曼光谱，发现Ag@Co-BDC纳米复合材料在摩擦过程中发生了结构变化，表明其在高温和剪切力作用下发生了化学反应，进一步验证了摩擦化学反应的发生。

综上所述，Ag@Co-BDC纳米复合材料在摩擦过程中表现出优异的摩擦学性能，其摩擦系数和磨损率分别降低了16.7%和61.5%。这些性能的提升主要得益于其在摩擦过程中形成的保护性摩擦膜，以及其表面活性位点对氧化反应的促进作用。同时，Ag纳米颗粒的引入有效抑制了Co-BDC纳米片的聚集，提高了其在基础油中的分散稳定性。通过宏观反应实验，进一步揭示了Ag@Co-BDC纳米复合材料在摩擦过程中所参与的化学反应机制，以及摩擦热和剪切力对这些反应的影响。这些研究结果不仅为设计新型MOFs基润滑添加剂提供了理论支持，也为深入理解摩擦化学反应机制奠定了基础。