[发明专利]一种镁离子掺杂碳量子点及其制备和应用方法

说明书

本发明涉及一种镁离子掺杂碳量子点及其制备和应用方法，其特征在于：1）油浴条件下，将葡萄糖酸镁和1‑氨丙基‑3‑甲基咪唑溴盐按摩尔比1:1~4进行熔融混合，搅拌混匀形成凝胶；2）在氮气保护、磁力搅拌下，将凝胶在180~240℃进行热解1~6h，产物冷却；3）将产物溶于超纯水中得棕黑色分散液，产物的质量与水的体积比为1:10~50，分散液离心得含碳量子点的上层分散液；4）将上层分散液移至透析袋中，在超纯水中透析3~5天；5）将分散液冷冻干燥、鼓风干燥即可。本发明优点：镁离子掺杂碳量子点粒径小，尺寸分布均一，制备工艺简单、易于操作，适宜工业化生产；镁离子掺杂碳量子点添加到水基润滑基础液中，其平均摩擦系数下降了60.6%；磨损体积下降了81.8%。

技术领域

本发明属于新型功能纳米材料制备技术领域，涉及一种镁离子掺杂碳量子点及其制备和应用方法。

技术背景

据报道，地球总能量的三分之一以摩擦的形式被消耗掉，磨损造成了大约60%的机械部件损伤，超过50%的机械故障可归因于润滑失效和过度磨损。我国每年仅因摩擦磨损造成的经济损失就近600亿元。作为摩擦磨损的天敌，润滑应运而生并在生活、生产乃至航空航天中无处不在。润滑是提升机械设备能量利用效率和使用寿命的关键技术之一。普通轿车发动机及传动装置运行时产生的摩擦大约消耗燃料总能量的16.5%，如果采用先进的润滑技术避免该部分能耗，每辆轿车每年大约节省170 升燃料，全球每年可节省1040 亿升燃料。更有报道称一个国家每年通过提升润滑技术所节约的成本可占其国内生产总值的1.0-1.4%。提升润滑技术最直接有效的方式是开发具有长使用寿命的高性能润滑剂。

在植物油和动物油脂出现以前，水一直是人类最常使用的润滑剂，但水作为润滑剂有诸多缺点，如成膜能力差、抗剪应力低、粘温系数小、减摩抗磨性能差等，尤其是减摩抗磨能力较差，极大地限制了水基润滑剂的发展和应用。尤其在矿物油诞生后，水基润滑剂的发展变得更为迟缓。众所周知，石油资源日益枯竭已是不争的事实，能源短缺与环境污染已成为困扰世界各国的重大难题，水基润滑剂凭借优异的冷却性能、不燃、低污染等优点，在抗燃液压液、金属加工液等领域又逐渐得到人们的重视，但水基润滑剂减摩抗磨性能差的问题依旧未解决，很大程度上又制约了其进一步发展。

研究发现，添加额外的添加剂能够有效改善水基润滑剂的摩擦学性能，大幅提高其减摩抗磨性能，进而拓宽水基润滑剂的应用范围。绿色环保的碳基纳米材料凭借其优异的润滑性能和机械性能，作为水基纳米润滑添加剂能够有效提高基础液的摩擦学性能，但传统的碳基纳米材料（如富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石等）用作水基添加剂时，也存在制备工艺复杂、分散稳定性较差、容易团聚等诸多缺陷，在一定程度上限制了它们的应用。

发明内容

为解决现有技术中存在的纳米粒子添加剂尺寸分布不均匀、分散稳定性差、易团聚、功能单一的问题，本发明提供一种镁离子掺杂碳量子点及其制备和应用方法；该镁离子掺杂碳量子点作为润滑油添加剂具有水分散性好、均一性高、自修复能力强、反应活性高的特点，可使水基润滑基础液的摩擦系数和磨损体积分别降低60.6%和81.8%，展现出优异的减摩抗磨性能，在水润滑体系中极具应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种镁离子掺杂碳量子点，其特征在于：镁离子掺杂碳量子点的平均粒径在3-10nm，其表面含有大量含氧基团(如羧基、羟基、环氧基、羰基)和1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐，它们均通过共价键修饰在碳量子点表面；同时，碳量子点的表面和碳核内部含有大量镁离子。

进一步，所述含氧基团为羧基、羟基、环氧基、羰基等（如图3所示）。

一种镁离子掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）在油浴（95-105℃）条件下，将葡萄糖酸镁（C₁₂H₂₂MgO₁₄）和1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐按摩尔比1:1~4进行熔融混合，搅拌使其混合均匀，以形成凝胶；