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广西石墨烯发力突围!一位学者的“烯谷”梦

发布时间:2019-09-13 19:22:29 编辑:笔名

一位学者的“烯谷”梦

最近几天,广西大学可再生能源材料协同创新中心的负责人沈培康终于松了一口气。

4月5日,位于广西大学内的中心三维石墨烯小试基地总体完工。等到核心部分的石墨烯反应炉安装完毕,他们的石墨烯粉体即可批量投产,年产量可达1.5吨。

这也意味着,沈培康的“烯谷”梦又朝着实现的方向迈出一大步。

1 我的“味精”,让我成了“大厨”

石墨烯是一种由碳原子紧密排列成六边形的单碳原子层薄片,厚度只有0.35纳米。

与诺贝尔奖获得者安德烈·盖姆发现石墨烯一样,沈培康发现石墨烯粉体的制作方法同样是出于巧合。

“出发点本不是做石墨烯,但恰巧做成了一个三维石墨烯。”2005年左右,沈培康在研究燃料电池催化剂时,需要用到离子交换技术制备催化剂。在理论上,一个原子就可以交换,所以沈培康一开始就希望把催化剂做得很规则,大小一样。

然而,随着研究的推进,沈培康发现,实际情况却复杂得多,比如选择什么样的材料作母体材料,沈培康通宵达旦地一种种材料去进行筛选。当筛选到石墨时,他才发现,利用离子交换法无法达到单个原子级别,却由此做出了新颖结构的“三维石墨烯”。

科学总是在不经意间给人惊喜。“石墨烯是二维材料,非常活泼,一旦碰撞在一起就会变成石墨片,失去了石墨烯的特性。三维的石墨烯,才能有立体、支撑性能,独立形成粉体材料,而且不团聚,应用也更广泛。”材料学出身的沈培康立刻敏感地意识到,石墨烯三维化是二维石墨烯片应用瓶颈的关键,值得深挖。

对于石墨烯粉体的制备方法,沈培康有丰富的技术储备。通过离子交换树脂一步法合成的三维多级孔自掺杂(氮、磷、硼等)类石墨烯材料具有包括商用石墨烯在内的碳材料不具备的性质,更可以成百吨生产,借此研发不同的下游产品,如锂电、超级电容、车体材料等。

“就像厨师一样,特级厨师就是比一级厨师有窍门。”沈培康把石墨烯比作“工业味精”,而如何添加这份“味精”,让“食材”更美味,则成了他的独门绝技。

2 我的肩膀,扛着一次材料技术革命

顶着极强导电性、超高强度、高韧性、较高导热性能等数层光环,专家预言石墨烯将在半导体、光伏、储能、航天等领域带来一次材料技术革命。

破解了石墨烯产量的难题后,沈培康团队把重点聚焦在研究新能源材料和车体轻量化材料方向上。

以汽车工业为例:如果车体轻量化材料开发成功,只要添加5%的石墨烯,即不到10公斤的石墨烯,重达五六百公斤的车架,就可以降低30%到50%的重量,而对于新能源汽车,降低200公斤的重量,换成同等重量的添加了石墨烯电池,续航里程将进一步增长,新能源汽车将发生革命性改变。

我国目前乘用车制造量达到2000万辆水平,车架重量假设每辆为500公斤,所需的石墨烯粉体至少25万吨以上,再加上石墨烯的物流、运输,其带动的产业将超过万亿元。

这意味着,随着石墨烯产业化的进程,围绕着石墨烯可以形成庞大的产业链,能给地方带来巨大的社会和经济效益!

目前,石墨烯产业的发展前景已引起自治区的重视。

2016年自治区政府工作报告指出——“重点攻克新材料、石墨烯、机器人、生态环保等重点领域关键共性技术,培育发展一批具有核心竞争力的大型高新技术骨干企业和创新型产业集群,强化企业创新主体地位和主导作用。”

攻克石墨烯技术,发展石墨烯产业,沈培康团队重任在肩!

3 我的梦想,打造中国的“烯谷”

在广西大学可再生能源材料协同创新中心一楼的研究室里,放着几个装着黑色粉末的小瓶子,这是已经被科研人员开展实际应用的石墨烯粉体样品。

相对于其他学科,材料学的科研人员更注重“接地气”的产品研发。

“广西睿奕新能源有限公司已经用上了我们的产品。”目前,该公司ER14250型锂亚硫酰氯电池添加2%的三维石墨烯材料,10mA和25mA放电电池容量测试提升20%以上的容量。

“我们希望,能尽快建立中试生产示范基地,组建广西石墨烯研究院,建设石墨烯产业园。由此培养和引进石墨烯专业人才,创建广西石墨烯产业联盟,发展石墨烯产业,进而打造中国的烯谷,为广西乃至全国的产业发展提供技术支撑和引领示范。”

这就是沈培康在广西的中国“烯谷”梦想。

广西并非毫无优势——有无形的技术资产、政府支持、原材料丰富,关键是必须马上行动,抢占产业发展先机。

两三个月前,沈培康还在为这事烦恼。

“自治区组织各厅局到外地考察,但反馈回来的信息不是很乐观。大家都认为,石墨烯的概念太虚,担心下游产品研发跟不上的话,又是竹篮打水一场空。”为此,沈培康反复解释,目前国内的制备方法很多,但成本、设备费用、设备周期、污染等都成问题。而且,二维石墨烯在理论上不可能大量生产石墨烯粉体材料,市场上说的石墨烯粉体材料实际上指的是氧化石墨烯,而氧化石墨烯不是石墨烯。所以,广西大学的技术是目前世界上唯一能生产三维石墨烯粉体材料的技术。这恰恰是广西大学的优势——成本低,具有竞争性;不是石墨片,特性强……

一直以来,自治区给予了大力支持。4月1日下午,南宁市政府与广西大学在南宁高新区举行现场办公会,双方就加快推进石墨烯研究及其产业化项目落户南宁生态产业园进行研究和部署。

4月12日至14日,自治区党委常委、自治区常务副主席唐仁健率团赴深圳市考察,其中就包括石墨烯产业。

目前,在广西大学的强力支持下,广西北部湾石墨烯产业技术开发有限公司已注册成功,石墨烯中试基地厂房和装修正在进行,科技项目和产业项目也将获得经费支持。

在不久的将来,广西石墨烯产业或许会因为这点火星,燃起燎原大火。“或许,这个过程仍很漫长,难免碰上挫折、失败,但梦想总是要有的,只要我们迈开步子,皆有可能。”沈培康说。

打通科研成果转化断层

丛星光

产业的发展,不仅需要科技的创新,还需要观念的创新。

科研不是100%成功,尤其是诸如石墨烯这样的尖端技术,投资商为了短期盈利、扩大知名度或者抬升股价过度热炒,使相关产业看起来犹如镜花水月,这就让政府、企业在科研出成果前望而却步,错失了最佳的发展机遇。缺乏实质投资,靠货真价实的石墨烯产品和技术来盈利更是无从谈起。

若是前期投资不足,即便出了成果,科研人员也是付出甚于回报,这就让很多科研不是围绕市场转,而是围着经费转,围着部门转。所以,打通科研成果转化断层,相关部门的推动必不可少。制定好政策,落实好内容,真正鼓励科研人员去创新,把专家教授、科学家在实验室里研发出来的成果更好地转化成社会、市场需要的产品。这样才能抢在前头,走在时代的前沿。

所幸的是,去年我区已印发实施《广西科技成果转化行动实施方案(2015-2020)》,将用5年时间重点开展支撑产业发展科技成果转化行动、重点领域科技成果引进转化行动、科技成果转移转化服务平台建设行动。

再说回石墨烯的产业化发展,需要资源、市场、技术方面共同发力,产学研的市场培育也都需要时间,需要包括政府、企业在内的投资者有前瞻性的眼光,各界努力,踏实静心深耕。

手中掌握着核心技术,加上政策扶持、机制完善,相信我区的石墨烯产业化,能有更多的发展空间。而如沈培康团队这样手中掌握众多科研成果、专利的学者们也能迎来广阔未来。

2004年

安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)两位物理学家合作,从石墨中分离出石墨烯;

2010年

盖姆、诺沃肖洛夫因为发现石墨烯而获得诺贝尔物理学奖;

2012年

全球石墨烯专利申请数量达1829件,同比增长100%;

2013年

欧盟将石墨烯选入未来新兴旗舰技术项目,计划未来十年投入10亿欧元打造石墨烯产业链;

2014年

华为技术总裁任正非首次接受中国媒体访谈,提到“石墨烯将颠覆硅时代”,原本并不为大众所知的石墨烯,也因此在中国迅速走红;

2016年

石墨烯材料写入中国国家“十三五”规划,被《中国制造2025》列为战略前沿材料之一,成为新材料领域的重点发展方向;

中国国家工信部、发改委、科技部联合发文,明确将“推进石墨烯产业绿色、循环、低碳发展”作为“四个推进”之一,并提出具体的发展方向及措施。

制造业迎来新“烯”望

提起石墨烯,大家的第一反应大多是“挺高端的,离我们太远”。我们经常能见到有关石墨烯的概念在报纸和网络上传播,让人感觉石墨烯无所不能,现实是否如此?石墨烯的产业化出路在哪里?广西大学的研究目前进展到哪一步?为此,记者采访广西大学可再生能源材料协同创新中心博士、教授田植群。

记者:石墨烯到底是什么,能通俗地解释吗?

田植群:石墨烯是由碳原子组成的只有单原子层厚度的二维碳材料。如果把石墨烯看成是一张“纸”,这张“纸”就是碳原子以六圆环的形式连成的,非常非常薄。如果把这些“纸”一层层叠在一起,就叫做石墨。也就是说,当我们用铅笔划一道痕迹,如果这一道痕迹薄到只有一层,这一层就是石墨烯。

记者:石墨烯到底有多神奇?

田植群:我们更愿意把石墨烯比喻为“工业味精”,目前,它最多的使用就是作为添加剂,因为具有优良的导电导热性以及高强度,所以,把石墨烯添加入各种材料中能产生让人意想不到的特性。

作为功能性涂料,力学性可以抗刮痕,导电性可以消除电磁波,抗干扰、防辐射等。石墨烯还可以用于半导体工业,将石墨烯以涂料的形式涂到相应部位,散热问题就可以解决。

记者:现在有报道石墨烯手机已经研发出来了,我们什么时候能用得上?

田植群:石墨烯手机技术上说可能的,但要实现量产并不“划算”。

因为,让石墨烯“长”起来不难,但如果要转移应用,就得考虑其生长基底要与应用的材料匹配,这方面技术没有突破,成本高、附加值低,所以限制了石墨烯应用的发展。

包括石墨烯电池,美国最新的石墨烯技术在实验室已经将充电时间缩短到1分钟以内,但目前该技术要想成功运用到工业领域还有相当长时间,起码也要5到10年时间。

记者:我们目前对石墨烯的研究有了哪些突破?

田植群:我们不是做石墨烯薄膜,而是石墨烯的另一种形式——石墨烯粉体。

我们的发现或创造,是通过化合物催化方法,产生花朵状的三维结构组装体石墨烯,解决了石墨烯的“团聚”问题。

记者:目前该技术前景如何?

田植群:可以这么说,只要有投资,把生产线搭建起来,想要多少就可以生产多少,且不用担心环保问题,这就为石墨烯产业化和下游产业的研发提供了良好的基础。

目前,我们生产出来的石墨烯粉体可以作为电池、电容器中的电极材料——碳的替代品。如石墨烯锂硫电池已经应用到企业生产中,超级电容器在两三年内可以生产。

另外,重点发展方向是应用于车体材料,五六年内可出成果。

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