UiO-66-NH 促进了干式固体润滑的效果，从而提高了摩擦电纳米发电机的机械稳定性和电输出性能

《Applied Surface Science》：UiO-66-NH 2 enabled dry solid lubrication for enhancing the mechanical stability and electrical output of a triboelectric nanogenerator

金属有机框架纳米材料UiO-66-NH2作为固体润滑剂，通过优化底面粗糙度和负载量，显著降低摩擦系数（约46%）和磨损轨迹宽度（20%），并增强三轴摩擦纳米发电机（TENG）的输出电压（13.66%）和电流（5.66%）。研究揭示了3D MOF在表面工程与滚动摩擦协同作用下的长效润滑机制，为干式润滑和能量收集器件设计提供新策略。

　　

Kyeonghwan Kim | Dongwon Seo | Hee Jae Hwang | Jihoon Chung

韩国庆尚北道龟尾市大鹤路61号，Kumoh国立技术学院机械工程系，邮编39177

摘要

金属有机框架（MOF）纳米颗粒由于其物理、机械和化学特性而具有作为润滑添加剂的潜力。然而，关于它们在无液体环境中的固体润滑性能的研究，尤其是三维（3D）MOF材料的研究，很少有报道。本研究介绍了基于Zr的3D MOF（UiO-66-NH₂）中基底粗糙度与颗粒装载量之间的协同作用。在常温常湿条件下，UiO-66-NH₂使摩擦系数降低了两倍。此外，它还显示出降低了Al基底的粗糙度，从而提前终止了固体润滑效果。扫描电子显微镜（SEM）显示，UiO-66-NH₂在Al表面形成了一层涂层，其颗粒从界面滑动转变为滚动摩擦。为了验证UiO-66-NH₂作为固体润滑材料的实际应用性，将其应用于摩擦电纳米发电机（TENG）中以收集电能。带有UiO-66-NH₂的TENG不仅能够稳定输出电压长达50,000秒，而且其均方根电压和电流分别增加了13.66%和5.66%。这项研究为基于3D MOF的固体润滑剂在先进摩擦学和能源设备中的设计原理提供了新的见解。

引言

机械系统中的摩擦和磨损直接导致材料损失和能量耗散，这激发了几个世纪以来从早期轮式运输到现代摩擦学科学的努力[1]。二维（2D）纳米颗粒（NP）添加剂，如石墨烯[2]、MoS₂[4]、h-BN[6][7]，由于具有易于发生的层间剪切和改善的摩擦学性能，被用作固体润滑剂或油添加剂。然而，它们在调节界面相互作用方面的化学功能性和结构可调性有限[8]。金属有机框架（MOFs）由金属节点和有机连接器组成，具有模块化化学性质、高表面积和可调的孔隙率，能够超越传统固体润滑剂进行界面工程，并支持包括传感和输送系统在内的多种应用[9][10][11][12]。从工程角度来看，三维（3D）MOFs因其结构刚性骨架和高表面积而优于2D MOFs，同时其合成更为简单且更具成本效益[13][14][15]。先前的研究已经利用MOFs作为润滑添加剂，通过控制尺寸、表面或涂层来减少摩擦和磨损，包括沸石咪唑框架（ZIF）系统和具有强大机械和化学稳定性的基于Zr的MOFs[16][17][18][19][20][21]。

在航空和航天等典型的无液体环境中，干式固体润滑至关重要。在固体润滑材料候选者中，层状MOFs表现出良好的性能。Eguchi等人使用具有二维层状晶体结构的基于Cu的MOF展示了出色的固体润滑效果，突显了层状结构的重要性[8]。Li等人使用具有二维层状晶体结构的基于Ti的MOF在干式润滑中实现了湿度依赖的润滑性能。MOF的湿度催化作用在无液体环境中相比传统润滑剂具有明显优势[22]。然而，尽管2D层状MOFs取得了进展，3D MOFs的干式固体润滑行为仍需进一步探索，特别是表面粗糙度和颗粒装载量对粘附性、滚动-滑动转变以及持续运行下的磨损抑制的影响。

在这项研究中，评估了一种基于Zr的3D MOF（UiO-66-NH₂）作为Al基底上的干式固体润滑剂的效果，同时系统地改变基底粗糙度和MOF浓度以调节接触界面处的范德华粘附力和粗糙度覆盖情况。在用60目砂纸处理的Al上优化装载后，摩擦系数（COF）和磨损轨迹宽度分别比未润滑状态降低了约46%和20%。这表明，由氨基功能化的MOF形成的第三体层不仅提供了抗摩擦和抗磨损效果，还在稳定滑动过程中有效降低了滚动摩擦[23][24][25]。为了实际验证，将UiO-66-NH₂润滑集成到旋转摩擦电纳米发电机（TENG）中[26][27][28][29]，实现了稳定的长时间运行，并使均方根（RMS）电压和电流分别增加了约13.66%和5.66%。这些改进归因于氨基功能化的MOF，它产生了足够的电能来驱动50个发光二极管（LED）并为商用电容器充电。这些结果为耐用的干式固体润滑开辟了基于3D-MOF的途径，并为在连续摩擦接触下增强能量收集提供了直接途径。

材料

材料

使用四氯化锆（ZrCl₄，纯度98%，TCI）作为金属簇，2-氨基对苯二甲酸（H₂NC₆H₃-1,4-(CO₂H)₂，纯度98%，Aladdin）作为配体。DMF（C₃H₇NO，纯度99.8%，Daejung）用作金属簇和配体的溶剂，以及用于洗涤合成的UiO-66-NH₂。高性能液相色谱（HPLC）级甲醇（MeOH，CH₃OH，纯度99.9%，Duksan）用于洗涤合成的UiO-66-NH₂。丙腈（ACN，C₂H₃N，纯度99.9%，Samchun）也用作溶剂

材料表征

图1a展示了UiO-66-NH₂的水热合成过程。首先分别将对苯二甲酸铵和ZrCl₄溶解在DMF中，然后将两种溶液混合并搅拌30分钟以获得均匀的MOF前体溶液。随后，将均匀混合的前体转移到PTFE衬里的不锈钢水热腔中，在120℃下保持24小时。离心后得到黄色的UiO-66-NH₂沉淀颗粒，用DMF和MeOH洗涤三次后

结论

本研究证明，当3D基于Zr的MOF（UiO-66-NH₂的装载量和基底粗糙度共同优化时，其在常温条件下的Al接触面上的摩擦和磨损显著降低。系统变异性测试确定，在经过60目砂纸处理的Al上装载0.5 mg/mL为最佳条件，摩擦系数降低了约两倍，磨损轨迹宽度减少了20%。结果表明，这种组合

CRediT作者贡献声明

Kyeonghwan Kim：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，研究，数据分析，概念化。Dongwon Seo：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，研究，概念化。Hee Jae Hwang：监督，项目管理。Jihoon Chung：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（项目编号RS-2023-00210363）以及由韩国教育部（MOE）和庆尚北道共同资助的地域创新系统与教育（RISE）-专业产业扩展计划（2026-rise-15-105）的支持。