| 石墨烯基二维材料宏观摩擦学行为及其润滑机制研究 | |
| 高雪 | |
| Thesis Advisor | 李红轩 ; 吉利 |
| 2020-08-28 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 石墨烯基二维材料 宏观尺度 Macro-scale 摩擦学行为 Tribological behavior 润滑机制 Lubricating mechanism 定序层状结构 Ordered layered structure Graphene-based two-dimensional materials |
| Abstract | 以石墨烯为代表的二维材料展现出良好的摩擦学性能，如在微观接触尺度具有超润滑性能，在宏观接触尺度展现出独特的自定序特性，有望成为一种优异的新型润滑材料。目前石墨烯摩擦学性能的研究主要集中在微纳接触尺度上，宏观接触尺度的研究才刚刚起步，系统研究石墨烯宏观摩擦学性能以及润滑机制对工程应用十分必要。本文采用喷涂法制备了多种石墨烯基二维材料涂层，考察了官能团、缺陷等内在结构因素以及湿度、气氛等外在环境因素对其摩擦学行为的影响，探讨了石墨烯基二维材料在宏观接触条件下的润滑与动态失效机制，并结合石墨烯与二硫化钼纳米片的异质复合设计，以期实现其在多环境下的良好摩擦学性能。主要研究结果如下： 1. 利用高分辨透射电镜详细表征了石墨烯基二维材料在宏观摩擦过程中不同阶段的界面微观结构演变，揭示了其构效关系变化与动态润滑失效机理：第一阶段：高定序层-层滑移界面结构的形成，伴随摩擦系数的迅速下降；第二阶段：层-层滑移界面结构的稳定维持，伴随摩擦系数低且平稳；第三阶段：片层结构的逐渐破坏卷曲，伴随摩擦系数出现波动；第四阶段：结构完全非晶化，伴随摩擦系数剧烈波动。层-层滑移的润滑机制发挥主要作用，定序层状摩擦界面结构的形成和维持是决定其长效低摩擦性能的关键。 2. 二维薄页结构有利于定序层状摩擦界面结构的自形成，但缺陷和悬键会在定序过程中产生相邻层间的相互作用，不利于定序结构的形成和维持，导致结构迅速破坏进入第三阶段，耐磨寿命较短且摩擦系数出现波动；官能团的引入能起到钝化悬键的作用，有利于定序结构的形成和维持，使其展现出平稳的摩擦系数以及较长的耐磨寿命，但会相对增加层间滑移的阻力，摩擦系数较理想的石墨烯有一定程度升高。 3. 外在环境对石墨烯基二维材料宏观摩擦学行为具有重要影响：高湿度环境有利于石墨烯棱边或缺陷处悬键的钝化，有助于实现低的摩擦系数；低湿度的环境可以减少水分子与氧化石墨烯（GO）片层的作用，促使定序滑移界面的形成和维持，展现良好的润滑性能；在惰性环境下，GO 定序摩擦界面结构很容易发生向完美石墨烯结构的转化，展现出更优的润滑效果；在高湿度环境下存储后处理的石墨烯样品，由于水分子的钝化作用，能提高少缺陷石墨烯的摩擦学性能。 4. 基于以上结构、环境等因素的控制，可实现石墨烯基二维材料摩擦界面微观结构和摩擦行为的调控：基于 GO 片层与水分子作用的湿敏性，实现了摩擦系数随湿度变化的可循环快速响应，为湿度响应的传感技术提供新的思路；通过惰性环境下所发现的摩擦力诱导 GO 向完美石墨烯结构转化的现象，以及对羟基脱附、水分子释放分子机理的揭示，将为大面积石墨烯结构的选择性调控以及力致水分子检测传感提供新的思路。 5. 具有小尺寸、少层数的纳米二硫化钼展现了更长的耐磨寿命，基于此进一步设计了石墨烯与二硫化钼纳米片的异质复合材料，一定程度提高了摩擦学性能。由于 GO 在水中良好的分散性，因此 GO 表面形成了均匀的二硫化钼纳米片团簇，复合材料能在多湿度环境下展现出良好的系数稳定性，并能显著降低对摩擦副的磨损；小尺寸石墨烯与纳米二硫化钼纳米片相近的尺寸，使其能更好地发挥协同作用，显著降低其在多湿度环境下的摩擦系数。 (1)至今人们已成功合成出了具有多种形貌的氧化亚铜，例如立方体、八面体、菱形十二面体、多棒型以及纳米线等，但到目前为止，这些氧化亚铜表面均为低指数晶面。而目前所报道的裸露有高指数晶面的氧化亚铜颗粒均为微米尺度，其通常具有较低的比表面积。基于水油两相体系，我们合成出了暴露{511}高指数晶面的削角内凹八面体氧化亚铜纳米颗粒。其中油酸和溶液pH值在合成中起到关键作用。通过调节溶液pH值，可合成出立方体及菱形十二面体氧化亚铜纳米颗粒。在炔-叠氮环加成反应中，削角内凹八面体氧化亚铜纳米颗粒表现出高的催化活性和稳定性，其TOF值达到2413h-1，分别是菱形十二面和立方体的两倍和四倍。这主要归因于{511}表面配位不饱和铜原子促进了炔-铜中间体的生成。削角内凹八面体氧化亚铜纳米颗粒在炔-叠氮环加成反应中表现出优异的循环稳定性，循环10次后活性未见明显降低，结构未见明显改变。 (2)二氧化碳的电催化转化是近些年的研究热点，但仍存在诸多挑战，如过电势高以及CO2转化产物法拉第效率低等。其中，金属/金属氧化物异质结构在二氧化碳电还原反应中显示出潜在的催化活性。利用沉积-沉淀法，通过低温煅烧，合成出了不同形貌二氧化铈负载纳米金催化剂。在水相二氧化碳电催化还原反应中，三种不同形貌二氧化铈负载金催化活性顺序为：金/棒状>金/八面体>金/立方体，其中在-0.6V（vs.RHE）时，金/棒状二氧化铈的一氧化碳法拉第效率达到95%，一氧化碳电流密度为2.2mAcm-2，质量活性为115Ag-1Au。结果表明，金的加入增强了二氧化铈表面的碱性位的强度和浓度，而电催化还原二氧化碳活性与Au/CeO2表面碱性位浓度和强度相关，即碱性越强其法拉第效率越高，电流密度也越大。 (3)TiO2作为一种光催化剂被广泛用于光催化还原二氧化碳的反应。通过负载金纳米颗粒，可增强其光生电子和空穴的分离能力。但目前为止，将其用于电催化二氧化碳反应尚未见报道。采用沉积-沉淀法制备的金/二氧化钛催化剂在水相二氧化碳电催化还原反应中显示出较高的催化活性。通过比较不同晶型二氧化钛负载金催化剂的活性，其中金/金红石型二氧化钛显示出最佳活性，在-0.8V（vs.RHE）时，其一氧化碳法拉第效率达到71.5%，一氧化碳电流密度为17mAcm-2，质量活性为1175Ag-1Au。此外，降低煅烧温度能有效提高CO法拉第效率和电流密度，这主要归因于金氧化物的存在促进了反应的进行。 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27366 |
| Collection | 中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 高雪. 石墨烯基二维材料宏观摩擦学行为及其润滑机制研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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