水热法合成氧化铝辅助的氧化石墨烯（Al2O3-GO）纳米结构，并对其结构与形态进行研究以推动纳米润滑技术的发展

《Inorganic Chemistry Communications》：Hydrothermal synthesis of alumina-assisted graphene oxide (Al2O3-GO) nanostructure and its structural, morphological studies for advancing Nano-lubrication

　　

Shankee Verma|Kamarapu Santhosh Kumar

PDPM印度信息技术学院贾巴尔普尔分校，自然科学系，印度中央邦482005。

摘要

本报告通过超声辅助水热法，利用经改良的Hummers法制备的氧化石墨烯，合成了不同铝含量的Al₂O₃插层氧化石墨烯（Al₂O₃–GO）纳米结构。通过拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、场发射扫描电子显微镜和X射线光电子能谱等手段对样品的结构与化学性质进行了分析，证实了氧化石墨烯发生了还原反应，形成了还原态氧化石墨烯，并在其表面生成了Al-O单键和Al?O?相。拉曼光谱显示I_D/I_G比率从1.49上升至2.21，这说明Al₂O₃在氧化石墨烯表面及插层位置引发了缺陷产生和结构紊乱，同时促进了其向还原态氧化石墨烯的转化。X射线衍射结果也支持了这一结论。此外，使用销盘摩擦试验机对样品的润滑性能进行测试，发现12%重量比的铝掺杂氧化石墨烯的摩擦系数从0.072降至0.022，这种优异的润滑效果得益于稳定摩擦膜的形成以及缺陷工程带来的协同效应。这些研究结果表明，Al₂O₃–GO是一种具有成本优势且高效的润滑用纳米添加剂。

引言

随着机械系统中对高性能润滑剂需求的不断增长，许多研究人员开始探索利用先进的纳米材料来提升机器在恶劣工况下的润滑性能。摩擦和磨损是导致机械能量损耗和材料退化的主要因素，它们不仅会降低工程系统的效率与可靠性，还会造成巨大的经济和能源损失。有研究表明，机械系统中约有三分之一的能量因润滑不良而浪费，这凸显了该领域亟需创新[1]。为了解决这些问题，研究人员开始将纳米材料作为添加剂加入润滑油及摩擦表面的涂层中，以此降低摩擦、减少磨损并延长机械部件的使用寿命。多项研究显示，二维碳基纳米材料在润滑领域具有出色的性能，它们具有较高的表面积与体积比、良好的载流子迁移率、较强的减摩抗磨能力，而且由于存在空位和缺陷，其表面拥有大量的吸附位点[2]。此后，更多研究开始探讨二维纳米材料在润滑应用中的潜力。

尽管基于石墨烯的纳米材料在工业应用中具有很高的机械强度，但纳米润滑油仍存在一些局限性，比如容易沉淀和氧化，这限制了石墨烯在润滑领域的广泛应用。虽然可以通过吸附原子来改善石墨烯的润滑性能，但由于石墨烯表面没有悬空键，这样的改性操作并不容易实现。而氧化石墨烯和还原态氧化石墨烯的表面存在未饱和的含氧官能团，因此可以通过Hummers法轻松合成这两种石墨烯衍生物，并对其性质进行调控[3]。因此，相比原始石墨烯，氧化石墨烯和还原态氧化石墨烯更易于用于润滑领域，从而让石墨烯重新成为重要的润滑添加剂。

Habib等人[4]研究了掺铝氧化石墨烯作为润滑添加剂的摩擦性能，发现由于形成了包含碳和氧化铝两相的弹性摩擦膜，其润滑性能得到了提升。不过，要确认接触面上确实形成了纳米结构，还需要进行详细的元素分析。Bian等人[5]则研究了将石墨烯引入陶瓷涂层中对提高耐磨性的影响，并分析了相关结果。此外，石墨烯与氧化铝的组合也被应用于自润滑涂层等领域，这类涂层能够通过形成摩擦膜显著提升润滑性能[6][7]。Yuan等人[8]利用超临界CO₂流体在氧化石墨烯表面镀上金纳米颗粒，从而在摩擦接触面上形成Sc-Au/GO纳米复合层，将该复合层分散在PAO6油中后，可显著降低摩擦系数和磨损率。Chuanbo等人[9]证明，使用球形二硫化钨纳米颗粒作为润滑添加剂，可以有效降低轴承的摩擦和振动，同时提高其耐磨性。不过，这类材料也存在硬度过高以及在极端条件下性能不佳等问题需要解决。Minghua等人[10]研究了钴和石墨辅助的硬质合金材料在高温切削条件下的摩擦性能，发现高温环境下石墨的耐磨性更好，尤其是在高摩擦条件下。

Xiaowei等人[11]研究了在不同尺寸和成分的石墨烯与无定形碳混合添加剂在摩擦接触界面上的表现，发现石墨烯的减摩效果更多地取决于其尺寸而非数量，当石墨烯的尺寸和成分达到最佳状态时，其减摩性能最为突出。Yuan等人[12]进一步研究了CuO/rGO纳米复合材料作为润滑添加剂的效果，发现这种添加剂在10w40发动机油中的润滑性能优于单独的还原态氧化石墨烯、氧化铜以及二者混合的材料。由于该纳米复合材料具有独特的纳米结构，因此相比纯机油，它能更低地降低摩擦系数和磨损率。许多研究人员还合成了掺铝的氧化石墨烯，并通过实验对其性能进行了研究。Ullah等人[13]尝试通过化学气相沉积法直接制备大面积掺铝石墨烯，从而拓展了掺杂石墨烯的研究体系，不过这种方法的成本相对较高。

鉴于上述研究结果，人们需要一种既易于改性又具有成本优势的材料。在本报告中，我们提出了一种全新的超声辅助水热合成方法，用于制备Al₂O₃–GO，该方法相比多步骤高温合成或基于CVD、PVD的技术更具可行性。与以往的方法不同，本研究同时实现了铝元素的掺入和氧化石墨烯的还原，仅需一步即可完成氧化石墨烯向还原态氧化石墨烯的转化以及Al₂O₃的插层作用。我们系统地研究了不同铝含量（4–12%重量比）对材料结构变化、缺陷调控以及润滑性能的影响，发现氧化石墨烯基质中形成了原位的Al-O/Al?O?纳米结构，这些结构有助于提升材料的承载能力和耐磨性。最终，研究发现Al-GO层间的剪切作用以及氧化物带来的滚动效应共同构成了高效的润滑机制，从而形成了稳定的自修复型摩擦膜。在高负荷条件下，该材料的摩擦系数可从0.072（氧化石墨烯）降至0.022（掺铝氧化石墨烯）。上述计算力学模拟结果进一步证明了经过Al₂O₃处理的表面具有更好的活化性能和吸附能力。总体而言，这项研究为设计高性能的氧化石墨烯基纳米润滑油提供了一种可规模化且具有实际应用价值的方案。

内容节选

材料

导电级石墨粉，目数为-325目，纯度为99.9995%（以金属计），购自Alfa Aesar公司。盐酸（浓度约为35%）、高锰酸钾、过氧化氢（浓度为50%）以及硫酸（浓度约为98%）均购自Merck的Emplura产品，均为高纯度产品。九水合硝酸铝（Al(NO₃)₃·9H₂O）则购自Thermo Fisher Scientific Ltd.公司。

氧化石墨烯的制备

氧化石墨烯是通过已有的改良Hummers法制备的，相关方法可见文献[14]。实验中使用了2克

XRD分析

通过XRD分析研究了Al₂O₃插层对氧化石墨烯晶粒大小和原子间距离的影响。如图1所示，氧化石墨烯在2θ约11.2°处有一个明显的峰，对应于(001)晶面，其晶面间距为0.78纳米[16]，这个峰是由于氧化功能团插入层间所形成的。此外，在2θ约26.3°处还有一个较弱的峰，该峰对应石墨晶面，说明

结论

研究表明，将Al₂O₃插入氧化石墨烯结构中，能够显著改变其结构、化学性质以及润滑性能。XRD分析证实，氧化石墨烯发生了还原反应，变成了还原态氧化石墨烯，且插层层的间距变小，同时还形成了结晶状的α-Al?O?相，这一结论也得到了拉曼光谱结果的支撑，拉曼光谱显示I_D/I_G比率上升，同时缺陷密度增加。FTIR和XPS分析则进一步表明，氧化石墨烯表面的含氧功能团已被去除，形成了新的结构

作者贡献说明

Shankee Verma：负责文章的撰写、修订与编辑工作，以及可视化处理、实验指导、方法设计和技术构思。Kamarapu Santhosh Kumar：负责文章的撰写、修订与编辑，同时承担实验研究、数据分析和形式化处理工作。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度瓦兰加尔的SR大学以及贾巴尔普尔的IIITDM学院的支持与帮助。

作者贡献

K.S·K和S·V负责实验操作、数据分析以及论文的撰写工作。S·V还参与了XRD、FE-SEM和拉曼光谱分析，并对XPS光谱结果进行了解读。K.S·K则在摩擦性能测试方面提供了支持，并对论文进行了修改完善；两位作者都对最终版本的论文进行了审阅和确认。

Kamarapu Santhosh Kumar是印度SR大学机械工程系的助理教授。他于2025年1月从PDPM印度信息技术学院设计制造系获得机械工程博士学位。他的研究兴趣包括纳米摩擦学、材料表征以及生物基纳米润滑剂的合成。Santhosh博士已发表多篇科学论文，为相关领域做出了重要贡献