濕度下石墨烯與MoS2相反摩擦性能的作用機(jī)制

楊再秀，高凱雄，張斌，張俊彥，Ahmet T. Alpas

（1.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，蘭州 730000；2.University of Windsor，Windsor，ON (N9B 3P4)，Canada）

［摘要］二維材料石墨烯和二硫化鉬（MoS2）在層間范德華作用力下具有低剪切強(qiáng)度和低摩擦，是固體潤滑薄膜、液體潤滑添加劑中重要的固體潤滑材料。然而，石墨烯和MoS2的摩擦受環(huán)境因素影響很大，尤其二者在濕度環(huán)境下具有相反的摩擦性能：石墨烯摩擦隨濕度降低而MoS2摩擦隨濕度增大。通過對比摩擦前后Raman和透射電鏡（TEM）下石墨烯的形貌和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)摩擦導(dǎo)致石墨烯結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了大量的缺陷和水分子裂解形成C-H和C-OH的現(xiàn)象。第一原理計算研究表明空穴缺陷的產(chǎn)生可促進(jìn)水分子的裂解吸附，并增大層間距和降低層間結(jié)合能，從而造成低摩擦。另一方面，Raman與TEM發(fā)現(xiàn)MoS2與氣氛水分子等發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成部分MoO3，但氧化物形成并非濕度下高摩擦的主要原因，因為其摩擦系數(shù)在烘出水分后可從0.1以上顯著下降至0.02。第一原理計算研究表明，水分子可在三空穴缺陷處裂解形成Mo-O-Mo鍵，但裂解的水分子對層間作用力影響不大。不裂解的水分子吸附在層間同S形成氫鍵增大層間結(jié)合力可造成高摩擦。因此，雖然摩擦在石墨烯和MoS2晶體上形成的缺陷提高其反應(yīng)活性并裂解水分子，但石墨烯在裂解水分子后可因增大層間距和降低結(jié)合能造成低摩擦，而MoS2則由不裂解的水分子形成氫鍵增大結(jié)合能而增加摩擦。此研究可為理解其他二維材料環(huán)摩擦對環(huán)境的敏感性提供有益參考。