本發(fā)明涉及催化劑，具體地，涉及一種用于橡膠硫化反應(yīng)的活化劑及制備方法、應(yīng)用，更具體地，涉及一種可替代硫化反應(yīng)的全暴露亞納米團(tuán)簇材料。

背景技術(shù)：

1、橡膠的使用量較高，我國每年消耗量在1000萬噸左右。對(duì)于硫化橡膠，在生產(chǎn)過程中需要添加較大量的氧化鋅作為活化劑。氧化鋅具有活化硫化體系、提高交聯(lián)密度以及提升硫化橡膠抗老化性能等作用。目前，氧化鋅仍然是較為有效的橡膠活化劑，有著非常重要的作用。但是，氧化鋅的成本較高，而且使用量過大會(huì)造成較為嚴(yán)重的水質(zhì)污染。并且使用的氧化鋅活化劑多以顆粒的納米氧化鋅為主，存在鋅的利用率不高和活性不足等問題，導(dǎo)致減少鋅的用量較為困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，為了至少部分地解決上述提及的技術(shù)問題中的至少之一，本發(fā)明提供了用于橡膠硫化反應(yīng)的活化劑及制備方法、應(yīng)用。

2、根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的實(shí)施例，提供了一種用于橡膠硫化反應(yīng)的活化劑，包括：載體，載體為摻雜有非金屬元素的納米材料；氧化鋅，錨定在載體的外表面；其中，氧化鋅與載體外表面摻雜的非金屬元素相配位，以全暴露亞納米團(tuán)簇的形式形成單原子層。

3、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，氧化鋅與載體的質(zhì)量比為（0.5~10）:100。

4、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，納米材料包括炭黑、白炭黑或氧化石墨烯中的至少一種；非金屬元素包括氮、氧、磷、硼中的至少一種；炭黑的粒度為10~100nm，比表面積為50~150m2/g；白炭黑的粒度為20~100nm，比表面積為100~300m2/g；氧化石墨烯的尺寸為1~10μm，厚度為3~10nm，比表面積為100~400m2/g。

5、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，非金屬元素的摻雜量占納米材料的質(zhì)量百分比為0.5~5%。

6、根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的實(shí)施例，提供了一種如上述的活化劑的制備方法，包括：將載體分散在第一溶劑中，得到分散溶液；向分散溶液中加入鋅金屬鹽和堿溶液，進(jìn)行水解反應(yīng)，得到活化劑；其中，載體為摻雜有非金屬元素的納米材料。

7、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，堿溶液包括氫氧化鈉水溶液、氫氧化鋰水溶液、氫氧化鉀水溶液中任意一種。

8、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，水解反應(yīng)的溫度為15~25℃。

9、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在將載體分散在第一溶劑之前，還包括：將納米材料分散在第二溶劑中，加入非金屬化合物混合攪拌反應(yīng)，得到載體；非金屬化合物包括含氮化合物、含硫化合物、含硼化合物、含磷化合物中的任意一種。

10、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，混合攪拌反應(yīng)的溫度為80~85℃。

11、根據(jù)本發(fā)明再一個(gè)方面的實(shí)施例，提供了一種如上述的活化劑在橡膠硫化反應(yīng)中的應(yīng)用。

12、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過使用摻雜有非金屬元素的納米材料做載體，能夠提供較高的比表面積和較豐富的活性位點(diǎn)。摻雜的非金屬元素能夠調(diào)整載體的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。氧化鋅與載體外表面摻雜的非金屬元素形成配位作用，例如可以形成化學(xué)鍵，這種配位作用能夠與摻雜的非金屬元素之間形成配位不飽和的鋅-氧鍵，有助于提高氧化鋅的催化活性。全暴露亞納米團(tuán)簇是指氧化鋅全部已暴露在載體外表面并通過配位鍵與摻雜的非金屬元素鍵合，與傳統(tǒng)形成的納米氧化鋅顆粒不同，本發(fā)明的氧化鋅沒有包埋在活化劑內(nèi)部，全部錨定在載體外表面并形成單原子層。因此，本發(fā)明的活化劑中的氧化鋅具有接近100%的鋅原子利用率，在后續(xù)應(yīng)用于橡膠硫化反應(yīng)時(shí)，能夠有效替代現(xiàn)有的納米氧化鋅顆粒，并且由于本發(fā)明的氧化鋅處于全暴露的狀態(tài)，因此，金屬鋅的用量可以在傳統(tǒng)的氧化鋅納米顆粒用量基礎(chǔ)上降低70~80%，有助于節(jié)約金屬資源。本發(fā)明的活化劑在后續(xù)應(yīng)用于橡膠硫化反應(yīng)時(shí)，其活性較高，能夠縮短正硫化時(shí)間，提高反應(yīng)效率，從而進(jìn)行工業(yè)上推廣，有助于實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

13、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明的活化劑的制備過程對(duì)溫度的依賴性不高，在室溫條件下即可制備，相較于傳統(tǒng)的間接法制備氧化鋅需要1000℃的高溫來說，使用本發(fā)明的方法能夠節(jié)約工業(yè)能耗，易于工業(yè)化制備。

技術(shù)特征：

1.一種用于橡膠硫化反應(yīng)的活化劑，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活化劑，其中，氧化鋅與所述載體的質(zhì)量比為（0.5~10）:100。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活化劑，其中，所述納米材料包括炭黑、白炭黑或氧化石墨烯中的至少一種；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的活化劑，其中，所述非金屬元素的摻雜量占所述納米材料的質(zhì)量百分比為0.5~5%。

5.一種如權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的活化劑的制備方法，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其中，所述堿溶液包括氫氧化鈉水溶液、氫氧化鋰水溶液、氫氧化鉀水溶液中任意一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其中，所述水解反應(yīng)的溫度為15~25℃。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其中，在將載體分散在第一溶劑之前，還包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其中，所述混合攪拌反應(yīng)的溫度為80~85℃。

10.一種如權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的活化劑在橡膠硫化反應(yīng)中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種用于橡膠硫化反應(yīng)的活化劑及制備方法、應(yīng)用，屬于催化劑技術(shù)領(lǐng)域。該用于橡膠硫化反應(yīng)的活化劑，包括：載體和氧化鋅。其中，載體為摻雜有非金屬元素的納米材料。氧化鋅錨定在載體的外表面。氧化鋅與載體外表面摻雜的非金屬元素相配位，以全暴露亞納米團(tuán)簇的形式形成單原子層。本發(fā)明通過氧化鋅與載體外表面摻雜的非金屬元素配位，其中鋅原子沒有重疊，以分散的全暴露模式的亞納米團(tuán)簇形式錨定在載體外表面，使得鋅原子能夠充分暴露以充當(dāng)活性中心，提高催化活性。該活化劑能夠應(yīng)用于橡膠領(lǐng)域中的硫化反應(yīng)，提高了硫化反應(yīng)效率，并且由于鋅原子的充分暴露，能夠降低70~80%的鋅用量，節(jié)約工業(yè)能耗和金屬資源。

技術(shù)研發(fā)人員：吳宇恩,李瑞龍,占德慶,潘新宇,夏亮,徐湘,李衎,梅濤,王會(huì)芳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10