综述：具有内在自润滑性和光催化性能的材料：简要综述

《Inorganic Chemistry Communications》：Materials with intrinsic self-lubrication and photocatalysis: A brief review

　　自润滑与光催化协同的新型材料系统研究综述，重点探讨TMDs、碳基材料及复合材料的双功能机制设计与应用，分析其降低摩擦损耗、降解污染物及能源转换潜力，指出稳定性、可扩展性及性能优化为关键挑战，提出纳米技术、计算模拟与仿生设计融合的未来方向。

　　

Kawaljit Randhawa

助理教授，机械工程系，CSPIT，查罗塔尔科学技术大学（CHARUSAT），CHARUSAT校区，Changa 388421，古吉拉特邦，印度

摘要

将自润滑和光催化这两种双重功能整合到单一材料系统中，为解决摩擦学、环境修复和能源可持续性方面的挑战提供了一种新方法。本文批判性地研究了那些天然具备这两种功能的材料，重点探讨了它们的设计原理、机制以及在各个领域的应用。文中特别强调了过渡金属硫属化合物（TMDs）、碳基材料和混合复合材料在减少摩擦/磨损以及在光照下降解污染物方面的协同潜力。此外，还简要讨论了层状双氢氧化物（LDHs）、MXene衍生的固溶体以及非层状的双功能晶体。文章还探讨了材料稳定性、可扩展性和性能优化等挑战，并提出了推进这一跨学科领域发展的未来方向。

引言

自然资源的快速枯竭，加上日益严重的环境污染和能源需求，促使人们开发出能够同时应对多种挑战的多功能材料。其中，那些天然具备自润滑功能以减少摩擦造成的能量损失，以及具备光催化功能以降解污染物或生成清洁能源的材料，已成为一种突破性解决方案[[1], [2], [3], [4]]。这类材料在摩擦学、环境科学和可再生能源之间架起了桥梁，为从制造业到医疗保健等多个行业带来了变革潜力。一些全球性的紧迫任务包括提高能源效率、实现环境可持续性和发展循环经济。摩擦和磨损占全球能源消耗的约23% [5]。自润滑材料可以减少40-60%的能源损失 [6]。光催化技术提供了一种利用太阳能降解挥发性有机化合物（VOCs）、微塑料和工业废水的方法 [7]。能够在光照下自我清洁或再生的材料减少了对有害润滑剂和化学清洁剂的依赖 [8]。

传统材料往往需要牺牲一种功能来获得另一种功能。例如，TiO?在光催化方面表现出色，但缺乏润滑性能；而PTFE虽然具有润滑性，但在光催化方面却不起作用 [9,10]。而天然多功能材料则通过利用原子层面的协同作用来克服这一局限，例如利用层状结构实现润滑效果，并通过调节带隙来实现光催化性能 [11]。本文重点研究了TMDs、碳基架构和混合复合材料系统，探讨了它们的原子结构如何实现双重功能。同时，还介绍了这些材料在能源、环境和医疗保健领域的实际应用，并讨论了与可扩展性、稳定性和创新材料设计相关的关键挑战及未来发展方向。例如，TMDs具有独特的层状结构，有助于降低摩擦；对其化学成分的修改可以使它们具备光催化性能 [12]。像石墨烯和碳氮化物（C?N?）这样的碳基材料具有良好的导电性和可调的表面化学性质，可以优化润滑和光催化活性 [13]。混合复合材料结合了不同材料家族的优势，为不同应用领域提供了定制化的性能。

在原子层面，这些双重功能背后的机制相当复杂。像TMDs这样的材料由于其固有的层状结构，能够在机械应力下轻松实现剪切，从而减少摩擦/磨损 [14]。同时，通过在这些材料中设计缺陷和控制掺杂，可以调整带隙以最大化光吸收，从而提高光催化效率 [15,16]。这种结构力学与电子性质之间的相互作用，为材料的设计提供了指导，使材料能够动态响应机械和环境变化。

尽管有这些优势，但在实际应用方面仍存在一些挑战。合成/制造方法的可扩展性、长期运行稳定性以及将这些材料整合到现有工业流程中，都是需要解决的关键问题 [17]。确保这两种功能不会相互干扰需要精心设计。图1展示了MoS?的双重功能示意图：(a)显示了减少摩擦的机制，(b)显示了在直射阳光下其光催化活性机制。

部分摘录

关键材料系统

具有天然自润滑和光催化功能的材料通常被分为三类，每类材料都具有独特的结构和电子性质。

双重功能的机制

将自润滑和光催化功能整合到单一材料中，源于原子、电子和形态性质的协同作用。本节详细分析了这两种功能的机制及其相互依赖性。

应用

具有天然自润滑和光催化功能的材料通过结合摩擦学效率与环境可持续性，正在改变各个行业。这些材料的应用包括自清洁摩擦系统、环境修复和生物医学设备（见图3）。

挑战

尽管具有多种优势，但双功能材料在实际应用中仍面临诸多障碍。

未来发展方向

下一代双功能材料的发展将得益于纳米技术、计算建模和生物启发式创新的突破。像MXenes和磷烯这样的先进二维材料有望重新定义性能极限。MXenes凭借其可调的表面化学性质和出色的导电性，为高应力机械系统提供适应性润滑，并同时作为高效的能量转换和环境修复催化剂。

结论

天然具备自润滑和光催化功能的材料标志着多功能材料设计的一场革命性变革。TMDs和碳基材料展现了巨大的潜力，但必须解决稳定性、可扩展性和性能权衡方面的挑战，才能充分发挥其潜力。跨行业（实际应用）和研究（实验室实验）的协作努力将有助于将这些材料推向全球应用。

CRediT作者贡献声明

Kawaljit Randhawa：撰写——综述与编辑、初稿撰写、数据验证、方法论制定、研究实施、数据整理、概念构思。

资金支持

本研究工作未获得任何资金支持。

利益冲突声明

作者声明自己没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究结果的个人关系。

Kawaljit Randhawa博士拥有查罗塔尔科学技术大学（CHARUSAT）的机械工程博士学位和尼玛大学（Nirma University）的计算机集成制造硕士学位。他在工业界和学术界拥有超过15年的综合经验，其中13年以上的时间担任机械工程系助理教授。他的工业背景包括生产、运营、项目执行和工厂建设等方面的经验。