通过离子液体接枝的氮、磷掺杂Ti3C2Tx MXene纳米片在油基润滑剂中的界面纳米结构设计，提升了摩擦学性能

《Applied Surface Science》：Enhanced tribological performance by interfacial nanoarchitectonics with ionic liquid-grafted N, P-doped Ti3C2Tx MXene nanosheets in oil-based lubrication

新型N/P共掺杂MXene基离子液体改性润滑添加剂显著提升500SN润滑油摩擦学性能，摩擦系数降至0.107，磨损体积减少65.8%，承载能力提高至650N。XPS分析表明形成含碳氮化物、铁氧化物及铁磷ates的连续防护膜，有效抑制金属表面直接接触。

　　

李浩|王天田|李婷宇|孙一平|谢尔盖·奇兹赫克|刘书娟|刘旭青|叶倩

中国西北工业大学材料科学与工程学院先进润滑与密封材料中心，固态成形加工国家重点实验室，西安710072

摘要

近年来，基于新型二维MXene材料的高效润滑剂添加剂的研发与改进受到了越来越多的关注。本文报道了使用亚磷酸氢铵作为氮/磷源合成掺氮、磷的Ti₃C₂T_x MXene，并通过含有儿茶酚的离子液体对其进行表面改性，制备出离子液体功能化的MXene。摩擦学测试表明，添加0.75 wt%的ILs@N, P-MXene后，500SN润滑剂的摩擦性能显著提升：平均摩擦系数（COF）降至0.107，磨损体积减少了65.8%，承载能力从150 N提高至650 N。XPS分析显示，ILs@N, P-MXene在滑动过程中与钢基材发生摩擦化学反应，形成由碳化物、氧化铁、氧化钛和磷酸铁组成的连续稳定保护膜。这种原位形成的摩擦膜有效抑制了配合表面之间的直接接触，从而赋予润滑系统良好的承载能力和改善的摩擦性能。

引言

随着全球能源需求的持续增长和供应日益紧张，减少能源损失变得至关重要。摩擦接触占全球能源消耗的约23%，其中大部分能量用于克服摩擦阻力[1]。此外，由摩擦和磨损引起的故障占机械设备故障的五分之四，导致巨大的经济损失[2][3]。为缓解这些问题，人们设计了多种润滑剂以减少配合表面之间的直接物理接触，从而降低摩擦和磨损。然而，现代机械设备经常在高温、高负荷等严苛条件下运行，同时需要减少润滑剂用量但仍需保持部件完整性。传统润滑剂添加剂在极端工况下表现不佳，且会产生大量有害排放物，不仅造成严重环境污染，还会引发材料腐蚀。因此，研发高效润滑剂添加剂对于提高机器效率和可靠性至关重要[4][5][6]。由于纳米颗粒的纳米级尺寸，它们能够轻松进入接触界面，形成连续的保护膜，阻止凸点接触，并通过独特的物理化学性质增强减摩和耐磨性能[7][8][9]。 在各种纳米材料中，二维（2D）纳米材料[10][11]因其独特的结构特性和优异的化学稳定性而备受青睐。层间的范德华力较弱，使得MXene层在剪切应力下能够无摩擦地滑动；高比表面积和丰富的表面官能团进一步支持其作为润滑剂添加剂的潜力[12]。Ti₃C₂T_x MXene是一种类似石墨烯的碳化物/氮化物化合物，源自MAX相，因其丰富的表面活性位点（?O、?OH、?F）、高表面能以及出色的热稳定性和电磁性能而在许多领域受到关注[13][14][15]。其固有特性（如弱的层间键合力和纳米级尺寸）促进了在接触界面内的吸附，并能够形成连续的保护膜，减少凸点接触，改善摩擦性能[16]。然而，Ti₃C₂T_x MXene纳米片的亲水基团（?OH）和大比表面积限制了其与非极性基础润滑剂的相容性。此外，在高负荷下MXene的层状结构容易聚集，导致分散稳定性下降，摩擦性能不佳[17][18]。相比之下，MXene多样的表面官能团为表面改性提供了多种可能性，可提高MXene纳米片与基础油的相容性，从而增强其摩擦性能[19]。 外源原子掺杂是一种有效的方法，可用于调整材料的电子构型、物理化学状态和功能性能。通过将氮（N）、硫（S）、磷（P）、硼（B）和金属原子嵌入MXene的晶格或表面，可以调控其电子构型和表面化学性质，并创建额外的缺陷位点[20][21]。Lu等人[22]结合计算建模和实验分析阐明了MXene的氮掺杂机制，结果表明氮掺杂的MXene可以采取多种构型，包括晶格取代、官能团取代和表面吸附。因此，掺杂MXene在电催化、能量存储、传感器和光催化等领域引起了广泛关注[20]。在摩擦学领域，杂原子掺杂可提高MXene纳米片与非极性基础油的亲和力，增强其分散稳定性，这对保持稳定的润滑性能至关重要[23]。此外，掺杂剂可引入额外的活性位点，促进摩擦过程中的表面钝化和保护膜形成，从而减少磨损和摩擦。例如，崔等人[24]成功制备了掺氮、硫的MXene，并在其表面接枝了抗磨噻二唑二聚体（DTD），在摩擦界面形成了坚固的保护膜，平均摩擦系数（COF）降至0.108。 离子液体（ILs）是一类特殊的有机离子盐，因其超低蒸气压、优异的热稳定性和可调的极性及粘度而受到关注[25]。这些独特的物理化学特性使其成为高性能润滑剂或润滑剂添加剂的理想候选者，尤其是在极端条件下[26][27]。在本研究中，我们采用杂原子掺杂和表面接枝策略制备了功能化的Ti₃C₂T_x MXene纳米片。首先，使用亚磷酸氢铵作为掺杂源，在高温下制备了掺氮、磷的MXene纳米片，随后与含有儿茶酚基团和长烷基链的离子液体自组装，得到离子液体改性的MXene纳米片（ILs@N, P-MXene）。随后，使用SRV-5摩擦测试仪在多种条件下全面评估了ILs@N, P-MXene作为500SN润滑剂添加剂的摩擦性能。最后，分析了磨损区域，以阐明ILs@N, P-MXene的润滑机制。结果表明，ILs@N, P-MXene通过吸附和修复作用在基底表面形成坚固的保护层，有助于在高温、高频率和高负荷等严苛工况下改善润滑剂的摩擦性能。

材料

MAX（Ti₃AlC₂）材料由锦州海信金属材料公司提供；盐酸（HCl）来自中国医药化工试剂有限公司；氟化锂（LiF，99%）和亚磷酸氢铵来自阿拉丁生化科技有限公司；盐酸多巴胺、1-十二烷基-1H-咪唑、N,N'-二环己基碳二亚胺（DCC）、二氯甲烷（DCM）、4-二甲氨基吡啶（DMAP）、3-溴丙酸、四氢呋喃（THF）和甲醇（MeOH）均来自Energy Chemical公司。

Ti₃C₂T_x MXene纳米片的制备

多层或

结果与讨论

ILs@N, P-MXene的制备过程如图1所示。首先，通过化学蚀刻MAX（Ti₃AlC₂）相中的铝层，获得类似手风琴的Ti₃C₂T_x MXene纳米片。随后通过超声剥离将多层MXene剥离为少层或单层纳米片，并引入?F、?OH和?O等官能团。然后将MXene与亚磷酸氢铵混合物在500°C下加热3小时进行氮、磷共掺杂。

结论

本文通过使用亚磷酸氢铵对MXene进行退火，合成了掺氮、磷的MXene纳米片。所得的N, P-MXene进一步通过含有儿茶酚基团的离子液体自组装进行功能化，得到ILs@N, P-MXene。接枝的长烷基链显著提高了MXene在500SN润滑油中的分散性，并赋予其优异的减摩和耐磨性能。

CRediT作者贡献声明

李浩：撰写初稿、正式分析、数据管理。 王天田：正式分析。 李婷宇：数据管理。 孙一平：数据管理。 谢尔盖·奇兹赫克：实验研究。 刘书娟：撰写、审稿与编辑、监督。 刘旭青：实验研究、审稿与编辑、资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（U23A20623、52475215）和陕西省重点研发计划（2025CY-YBXM-136）的支持。