據(jù)統(tǒng)計，地球上每年約有20%的能源消耗歸因于摩擦。石墨烯是一種二維層狀材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高比表面積、高面內(nèi)強(qiáng)度和低層間剪切強(qiáng)度等特性，在控制摩擦磨損領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價值。目前，石墨烯涂層的超滑性只能在納米尺度和微觀尺度上實現(xiàn)，如何將其擴(kuò)展到宏觀層面是當(dāng)今一大挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有制備方法中物理法操作簡單，但耗時長且難以用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中；化學(xué)法仍存在非原位生長或制備溫度過高限制應(yīng)用范圍。

　　近日，由華南理工大學(xué)、廣東省科學(xué)院新材料研究所（以下簡稱省科學(xué)院新材料所）和香港城市大學(xué)的科學(xué)家共同組成的研究團(tuán)隊，采用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)在工業(yè)材料表面原位生長高質(zhì)量的氫化石墨烯涂層，突破基材高溫相變和轉(zhuǎn)移引起的污染及損耗等制約瓶頸，通過調(diào)控氫化程度可實現(xiàn)了石墨烯涂層表面穩(wěn)定性和耐磨性的功能強(qiáng)化，在宏觀摩擦試驗中表現(xiàn)出優(yōu)異的超滑性能。

　　進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊采用分子動力學(xué)模擬試驗闡明了原子尺度和宏觀實驗觀察氫化石墨烯涂層具有自鈍化和自修復(fù)效應(yīng)的整體摩擦化學(xué)機(jī)制。結(jié)果表明，H原子堆積在石墨烯缺陷邊緣并鈍化C原子懸掛的σ鍵，形成強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移的C-H鍵網(wǎng)絡(luò)，降低界面相互作用，減少摩擦。此外，氫化石墨烯涂層間隙儲存的化學(xué)吸附態(tài)H原子在摩擦過程中補(bǔ)充和修復(fù)涂層結(jié)構(gòu)，延長磨損壽命。

氫化石墨烯涂層原位制備示意圖

石墨烯涂層拉曼光譜

石墨烯涂層的摩擦系數(shù)曲線

　　該研究提供了氫化石墨烯涂層的原位生長新方案和超滑機(jī)制的新見解，顯著擴(kuò)展了氫化石墨烯涂層的潛在應(yīng)用價值，從微機(jī)電系統(tǒng)中的精密傳動到汽車、航空、航天及海洋裝備等大型系統(tǒng)中的關(guān)鍵運(yùn)動部件。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表于工程技術(shù)與化學(xué)化工領(lǐng)域頂刊Chemical Engineering Journal（Q1，Top期刊，IF=15.1，論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141521）。省科學(xué)院新材料所為第二單位，林松盛教授級高級工程師為共同通訊作者。研究工作得到國家自然基金和廣東省科學(xué)院發(fā)展專項資金等項目的支持。

　　供稿：省科學(xué)院新材料所

　　撰稿：林松盛

　　審稿：董軍  鄭開宏  王昊

　　校稿：徐超  肖捷  章震  黃巧純