湿度下石墨烯与MoS2相反摩擦性能的作用机制

杨再秀，高凯雄，张斌，张俊彦，Ahmet T. Alpas

（1.中国科学院兰州化学物理研究所，兰州 730000；2.University of Windsor，Windsor，ON (N9B 3P4)，Canada）

［摘要］二维材料石墨烯和二硫化钼（MoS2）在层间范德华作用力下具有低剪切强度和低摩擦，是固体润滑薄膜、液体润滑添加剂中重要的固体润滑材料。然而，石墨烯和MoS2的摩擦受环境因素影响很大，尤其二者在湿度环境下具有相反的摩擦性能：石墨烯摩擦随湿度降低而MoS2摩擦随湿度增大。通过对比摩擦前后Raman和透射电镜（TEM）下石墨烯的形貌和结构，发现摩擦导致石墨烯结构中产生了大量的缺陷和水分子裂解形成C-H和C-OH的现象。第一原理计算研究表明空穴缺陷的产生可促进水分子的裂解吸附，并增大层间距和降低层间结合能，从而造成低摩擦。另一方面，Raman与TEM发现MoS2与气氛水分子等发生摩擦化学反应生成部分MoO3，但氧化物形成并非湿度下高摩擦的主要原因，因为其摩擦系数在烘出水分后可从0.1以上显著下降至0.02。第一原理计算研究表明，水分子可在三空穴缺陷处裂解形成Mo-O-Mo键，但裂解的水分子对层间作用力影响不大。不裂解的水分子吸附在层间同S形成氢键增大层间结合力可造成高摩擦。因此，虽然摩擦在石墨烯和MoS2晶体上形成的缺陷提高其反应活性并裂解水分子，但石墨烯在裂解水分子后可因增大层间距和降低结合能造成低摩擦，而MoS2则由不裂解的水分子形成氢键增大结合能而增加摩擦。此研究可为理解其他二维材料环摩擦对环境的敏感性提供有益参考。