据统计，地球上每年约有20%的能源消耗归因于摩擦。石墨烯是一种二维层状材料，具有良好的化学稳定性、高比表面积、高面内强度和低层间剪切强度等特性，在控制摩擦磨损领域具有很大的应用价值。目前，石墨烯涂层的超滑性只能在纳米尺度和微观尺度上实现，如何将其扩展到宏观层面是当今一大挑战。在现有制备方法中物理法操作简单，但耗时长且难以用于大规模工业生产中；化学法仍存在非原位生长或制备温度过高限制应用范围。
近日，由华南理工大学、广东省科学院新材料研究所（以下简称省科学院新材料所）和香港城市大学的科学家共同组成的研究团队，采用热丝化学气相沉积技术在工业材料表面原位生长高质量的氢化石墨烯涂层，突破基材高温相变和转移引起的污染及损耗等制约瓶颈，通过调控氢化程度可实现了石墨烯涂层表面稳定性和耐磨性的功能强化，在宏观摩擦试验中表现出优异的超滑性能。
进一步地，研究团队采用分子动力学模拟试验阐明了原子尺度和宏观实验观察氢化石墨烯涂层具有自钝化和自修复效应的整体摩擦化学机制。结果表明，H原子堆积在石墨烯缺陷边缘并钝化C原子悬挂的σ键，形成强电荷转移的C-H键网络，降低界面相互作用，减少摩擦。此外，氢化石墨烯涂层间隙储存的化学吸附态H原子在摩擦过程中补充和修复涂层结构，延长磨损寿命。
氢化石墨烯涂层原位制备示意图
石墨烯涂层拉曼光谱
石墨烯涂层的摩擦系数曲线
该研究提供了氢化石墨烯涂层的原位生长新方案和超滑机制的新见解，显著扩展了氢化石墨烯涂层的潜在应用价值，从微机电系统中的精密传动到汽车、航空、航天及海洋装备等大型系统中的关键运动部件。
相关研究成果发表于工程技术与化学化工领域顶刊Chemical Engineering Journal（Q1，Top期刊，IF=15.1，论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141521）。省科学院新材料所为第二单位，林松盛教授级高级工程师为共同通讯作者。研究工作得到国家自然基金和广东省科学院发展专项资金等项目的支持。
供稿：省科学院新材料所
撰稿：林松盛
审稿：董军 郑开宏 王昊
校稿：徐超 肖捷 章震 黄巧纯
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