综述：纳米材料在植物油基生物润滑剂合成中的应用：纳米添加剂与纳米催化剂系统综述

《Next Nanotechnology》：Nanomaterials in biolubricant synthesis from vegetable oils: A systematic review of nanoadditives and nanocatalysts

　　

生物质来源的生物润滑剂（biolubricant）为解决传统矿物基润滑剂带来的日益增长的碳足迹（carbon footprint）、资源枯竭、气候与环境影响等问题，提供了一种环境可持续的替代方案。本综述系统评估了多种纳米材料（nanomaterial）作为添加剂（additive）和非均相催化剂（heterogeneous catalyst）时，如何改善以可食用及非可食用植物油为原料合成的生物润滑剂的理化性质、催化效率、摩擦学（tribological）及流变学（rheological）性能。依据PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）框架，本研究使用Web of Science、Scopus和Google Scholar对2015年至2026年间发表的相关文献进行了系统性检索，并对所识别记录依据预先设定的纳入与排除标准进行筛选，最终共有104项研究纳入本综述。分析表明，纳米添加剂通过降低摩擦与磨损为植物油提供了优异的润滑性，而纳米催化剂则能够高效合成可生物降解的多元醇酯（polyol ester）。通过将纳米技术与可再生原料相结合，本综述为可持续且高性能生物润滑剂的最新研发进展提供了理论见解。未来研究应聚焦于开发可持续的生物来源纳米添加剂、改善纳米添加剂的分散性与表面功能化、开展全面的生命周期与环境毒性评估，以及实现催化剂/纳米添加剂的可规模化回收与再利用。

1. 引言

随着对舒适与便利需求的不断提高，现代工业机械对可靠性与使用寿命提出了更高要求。摩擦与磨损在部件机械性能中起关键作用，摩擦生热导致机械能损失，磨损加速材料破坏，因此控制摩擦与磨损的摩擦学方法日益重要。润滑剂通过在表面间形成薄保护膜可降低热量产生、能耗和损伤。全球润滑油市场预计2030年达1802亿美元。石油基润滑剂有毒、不可生物降解且不可再生，对环境造成严重影响。植物油因富含油酸、蓖麻油酸和亚油酸，具有低挥发性和良好润滑性，成为主要可再生来源，但天然植物油存在氧化稳定性差和低温性能不佳等缺点。为克服这些问题，化学改性植物油（第二代生物润滑剂）受到广泛关注，包括酯化、酯交换、环氧化、选择性加氢和estolide形成等催化路径。此外，添加剂掺入也已成为提升生物润滑剂性能的有效策略。纳米材料作为添加剂和催化剂的双重功能显示出巨大潜力。

2. 方法论

2.1 系统综述方法

本系统综述依据PRISMA 2020指南开展。文献检索来源与策略：使用Web of Science、Scopus和Google Scholar，覆盖2015年至2026年发表文献，最终检索日期为2026年8月4日，采用布尔运算符组合生物润滑剂、植物油和纳米材料相关关键词。资格标准：纳入标准包括同行评审英文期刊文章、评估植物油基流体、聚焦纳米材料作为添加剂或催化剂、提供摩擦学/流变学/催化数据；排除标准包括纯合成/矿物/石油基油、植物油与矿物油混合、无纳米材料利用、缺乏数据的短摘要等。筛选过程：记录导出至Mendeley，由两位评审员独立筛选标题和摘要，分歧通过讨论解决。PRISMA流程图呈现了记录识别、去重、筛选和纳入全流程。

2.2 文献计量分析

2019年以来纳米添加剂研究显著增长，2020年达到16篇峰值，此后稳定在每年6-13篇；纳米催化剂研究总体规模较小，但自2023年起逐年上升，2025-2026年达到每年2篇，显示该领域关注度持续增加。

3. 纳米材料在生物润滑剂开发中双重作用的比较分析框架

纳米材料在生物润滑剂生产链中的角色根本不同：纳米催化剂通过提供催化活性位点直接参与化学反应，加速原料油的化学改性；纳米添加剂则通过润滑界面的表面相互作用提升原料油或合成生物润滑剂的理化与摩擦学性能。两者的评价指标不同，纳米添加剂关注分散稳定性、流变性、摩擦学性能、表面相互作用和化学稳定性，纳米催化剂关注反应效率、反应条件和催化剂耐久性。

4. 植物油基质中的纳米材料添加剂

4.1 金属与金属氧化物纳米添加剂

金属与金属氧化物纳米材料是润滑领域研究最广泛的纳米添加剂。Cu纳米颗粒分散在牛油果油中，1 wt%时摩擦系数最低，0.5 wt%时磨损最小，过量Cu则因纳米颗粒在接触界面聚集而加剧磨粒磨损。Ni纳米颗粒在橄榄油中原位合成约15.6 nm，可在表面形成含Ni/NiO、氧化铁、碳质物种和脂肪酸衍生组分的复合摩擦膜，将承载能力从400 N提升至超过1000 N。Al₂O₃纳米颗粒在荷荷巴油中，0.1 vol%时通过形成稳定保护性摩擦膜减轻金属直接接触，超过0.2 vol%则性能恶化。Al₂O₃强化棕榈油在微量润滑下热导率提高约16%，粘度提高21%，表面粗糙度降低30-40%。SiO₂在棕榈油中对Inconel 690微量润滑表现出最佳综合性能。ZnO纳米颗粒分散在米糠油和Pongamia pinnata油中均改善切削和发动机运行性能。纳米颗粒浓度必须仔细优化，团聚是纳米润滑剂配方中最持久的挑战之一。表面活性剂改性被广泛采用，TiO₂与Triton X-100质量比1:3在菜籽油中提供最佳长期分散稳定性。脂肪酸基表面活性剂提供化学兼容的表面处理方法。多添加剂体系（纳米颗粒、离子液体、粘度改进剂和抗氧化剂）反映单一组分不足以满足发动机润滑的复杂同时性能要求。纳米颗粒表面极性对摩擦学性能影响大于粒径，环氧改性SiO₂比甲基改性吸附质量和速率分别高约16倍和34倍。基础油化学改性进一步调节纳米添加剂性能，CeO₂在环氧化Moringa oleifera油中0.6 wt%时损伤最小，超过该浓度团聚重新引入磨粒磨损。环氧化对不同纳米颗粒影响不一致，CeO₂在菜籽油中改善摩擦但在环氧化菜籽油中效果有限，PTFE在原油中优于环氧化油。

4.2 碳基纳米添加剂

碳基纳米材料因优异机械强度、热和化学稳定性、层状或各向异性结构而被广泛采用。石墨烯的二维层状结构提供本征低摩擦表面。MWCNTs（多壁碳纳米管）因低成本和易改性而常用，合适直径和长度使其能进入接触区域起滚动轴承作用。在环氧化麻风树油中，2 wt% MWCNT使制动热效率提高4.56%，摩擦功率相对SAE 20W40降低39.13%，CO、HC、NOx和烟尘排放分别降低33.55%、30.48%、20.08%和32.08%。MWCNT在化学改性麻风树油和荷荷巴油中使磨损降低41.96%-79.85%。MWCNT与TiO₂比较中，MWCNT在环氧化麻风树油中2 wt%时COF为0.061，低于TiO₂配方的0.075-0.082。功能化MWCNT分散在棕榈油中在1000 h轴承试验中降低轴承温度最高37%，磨损碎片面积减少69%。石墨烯纳米片在边界润滑中的摩擦学增强源于接触面积减少和表面粗糙度阻止。石墨烯、TiO₂和Al₂O₃掺入棕榈油实现COF降低26.21-34%，磨损降低12.99-30%：石墨烯凭借层状滑动机制提供优异减摩能力，TiO₂改善粘度和抗磨，Al₂O₃提供表面保护。

4.3 纳米粘土基添加剂

埃洛石纳米管（HNTs）和蒙脱石（MMT）是应用最广泛的纳米粘土类别。HNT天然存在、无毒且廉价，管状形态将滑动摩擦转化为滚动摩擦并填充表面粗糙度。在热解枣籽油/蓖麻油混合物中，1 wt% HNT使COF和WSD分别降低28.2%和21.32%，粘度提高13.4%。HNT与姜黄油在米糠油中协同作用，0.1 wt% HNT加1.5 wt%姜黄油使COF和WSD分别降低16.1%和13.4%，极压承载能力从1127 N提升至1962 N。MMT具有三明治状层状结构，摩擦学增强机制类似MoS₂和石墨烯的层间滑动。直接比较显示MMT在玉米油和花生油中均优于HNT的减摩性能，而HNT提供更优的磨损体积降低。

4.4 杂化纳米材料与纳米复合材料

将功能互补的纳米添加剂杂化是克服单一纳米颗粒局限性的有效策略。TiO₂/g-C₃N₄纳米复合材料在花生油中，TiO₂纳米颗粒装饰层状g-C₃N₄片层，在0.00625 mg mL?1优化浓度下，29°C和75°C下COF分别降低17.0%和23.3%，WSD分别降低14.6%和17.1%，同时将植物油氧化起始温度从128°C推迟至165°C，表明杂化纳米添加剂效益超出摩擦磨损降低范畴。