中國科學院蘭州化學物理研究所MXene基材料摩擦學研究獲系列進展
二維過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（MXene）是繼石墨烯之后材料科學和凝聚態(tài)物理學中備受關注的新材料。這類二維納米材料具有優(yōu)異的機械性能和自潤滑能力，將其用作新型潤滑材料是當前摩擦學領域的研究熱點。
近年來，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室功能潤滑材料課題組在MXene基潤滑材料的設計制備和摩擦學研究方面取得了系列進展。
研究人員利用電泳沉積技術制備了表面均勻、厚度可控的Ti3C2/GO復合潤滑涂層，通過研究Ti3C2、GO和Ti3C2/GO薄膜的形貌、微觀結構和摩擦學性能，揭示了沉積電壓、載荷和滑動速度對復合薄膜摩擦學性能的影響機制（圖1）。相關成果發(fā)表在Tribology International（2022, 167, 107361）上。
圖1. Ti3C2/GO復合潤滑涂層的制備及其摩擦學性能
為進一步提高MXene/GO復合薄膜的耐磨壽命，研究人員構筑了具有“磚混結構”的金屬離子增強的MXene/GO復合潤滑涂層。采用簡單的離子橋接法，將金屬離子引入MXene/GO復合薄膜中，通過金屬離子與納米材料之間的化學相互作用，顯著提高了復合薄膜的力學性能和耐磨壽命（圖2）。相關成果發(fā)表在Applied Surface Science（2023, 625, 157181）上。
圖2. 離子橋接法制備具有“磚混結構”的MXene/GO復合涂層及其摩擦學性能
近日，研究人員提出了利用鹽析效應構筑固液復合潤滑水凝膠體系的新策略（圖3）。通過將Zn2+引入MXene/PVA水凝膠，借助Zn2+的多重交聯(lián)和鹽析效應，誘導水凝膠中網絡結構的強化，將水凝膠中的固定水轉化為游離水，在摩擦過程中，游離水被釋放出來。同時，將游離水作為液相，類固態(tài)的水凝膠作為固相，實現(xiàn)了固、液兩相在一種材料中的有效復合，更好地發(fā)揮了固液協(xié)同效應，從而獲得了優(yōu)異的減摩抗磨效果。該研究工作以“Bioinspired multi-crosslinking and solid–liquid composite lubricating MXene/PVA hydrogel based on salting out effect”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal（2023, 476, 146848）上。
圖3. 基于鹽析效應的MXene/PVA水凝膠及其固液復合潤滑性能與機理示意圖
此外，該課題組還在Advanced Powder Materials上發(fā)表了題為“MXenes in tribology: Current status and perspectives”的綜述文章（2023, 2, 100092）。該文章從固體潤滑劑、潤滑添加劑和相增強材料三個方面介紹了MXene基材料的摩擦學研究現(xiàn)狀，總結了影響MXenes摩擦學性能的多種因素及其潤滑機理，對MXene摩擦學的發(fā)展前景進行了展望。
蘭州化物所博士研究生苗曉南為論文第一作者，李章朋特聘青年研究員和王金清研究員為共同通訊作者。
上述工作得到了國家自然科學基金面上項目、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃和蘭州化物所特聘青年研究員人才等項目的支持。
來源：固體潤滑國家重點實驗室
