一位學(xué)者的“烯谷”夢(mèng)
科研人員展示石墨烯產(chǎn)品。 (資料圖片)
科研人員正在做實(shí)驗(yàn)。
廣西石墨烯發(fā)力突圍!
最近幾天，廣西大學(xué)可再生能源材料協(xié)同創(chuàng)新中心的負(fù)責(zé)人沈培康終于松了一口氣。
4月5日，位于廣西大學(xué)內(nèi)的中心三維石墨烯小試基地總體完工。等到核心部分的石墨烯反應(yīng)爐安裝完畢，他們的石墨烯粉體即可批量投產(chǎn)，年產(chǎn)量可達(dá)1.5噸。
這也意味著，沈培康的“烯谷”夢(mèng)又朝著實(shí)現(xiàn)的方向邁出一大步。
1 我的“味精”，讓我成了“大廚”
石墨烯是一種由碳原子緊密排列成六邊形的單碳原子層薄片，厚度只有0.35納米。
與諾貝爾獎(jiǎng)獲得者安德烈·蓋姆發(fā)現(xiàn)石墨烯一樣，沈培康發(fā)現(xiàn)石墨烯粉體的制作方法同樣是出于巧合。
“出發(fā)點(diǎn)本不是做石墨烯，但恰巧做成了一個(gè)三維石墨烯。”2005年左右，沈培康在研究燃料電池催化劑時(shí)，需要用到離子交換技術(shù)制備催化劑。在理論上，一個(gè)原子就可以交換，所以沈培康一開始就希望把催化劑做得很規(guī)則，大小一樣。
然而，隨著研究的推進(jìn)，沈培康發(fā)現(xiàn)，實(shí)際情況卻復(fù)雜得多，比如選擇什么樣的材料作母體材料，沈培康通宵達(dá)旦地一種種材料去進(jìn)行篩選。當(dāng)篩選到石墨時(shí)，他才發(fā)現(xiàn)，利用離子交換法無(wú)法達(dá)到單個(gè)原子級(jí)別，卻由此做出了新穎結(jié)構(gòu)的“三維石墨烯”。
科學(xué)總是在不經(jīng)意間給人驚喜。“石墨烯是二維材料，非常活潑，一旦碰撞在一起就會(huì)變成石墨片，失去了石墨烯的特性。三維的石墨烯，才能有立體、支撐性能，獨(dú)立形成粉體材料，而且不團(tuán)聚，應(yīng)用也更廣泛。”材料學(xué)出身的沈培康立刻敏感地意識(shí)到，石墨烯三維化是二維石墨烯片應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵，值得深挖。
對(duì)于石墨烯粉體的制備方法，沈培康有豐富的技術(shù)儲(chǔ)備。通過(guò)離子交換樹脂一步法合成的三維多級(jí)孔自摻雜(氮、磷、硼等)類石墨烯材料具有包括商用石墨烯在內(nèi)的碳材料不具備的性質(zhì)，更可以成百噸生產(chǎn)，借此研發(fā)不同的下游產(chǎn)品，如鋰電、超級(jí)電容、車體材料等。
“就像廚師一樣，特級(jí)廚師就是比一級(jí)廚師有竅門。”沈培康把石墨烯比作“工業(yè)味精”，而如何添加這份“味精”，讓“食材”更美味，則成了他的獨(dú)門絕技。
2 我的肩膀，扛著一次材料技術(shù)革命
頂著極強(qiáng)導(dǎo)電性、超高強(qiáng)度、高韌性、較高導(dǎo)熱性能等數(shù)層光環(huán)，專家預(yù)言石墨烯將在半導(dǎo)體、光伏、儲(chǔ)能、航天等領(lǐng)域帶來(lái)一次材料技術(shù)革命。
破解了石墨烯產(chǎn)量的難題后，沈培康團(tuán)隊(duì)把重點(diǎn)聚焦在研究新能源材料和車體輕量化材料方向上。
以汽車工業(yè)為例：如果車體輕量化材料開發(fā)成功，只要添加5%的石墨烯，即不到10公斤的石墨烯，重達(dá)五六百公斤的車架，就可以降低30%到50%的重量，而對(duì)于新能源汽車，降低200公斤的重量，換成同等重量的添加了石墨烯電池，續(xù)航里程將進(jìn)一步增長(zhǎng)，新能源汽車將發(fā)生革命性改變。
我國(guó)目前乘用車制造量達(dá)到2000萬(wàn)輛水平，車架重量假設(shè)每輛為500公斤，所需的石墨烯粉體至少25萬(wàn)噸以上，再加上石墨烯的物流、運(yùn)輸，其帶動(dòng)的產(chǎn)業(yè)將超過(guò)萬(wàn)億元。
這意味著，隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，圍繞著石墨烯可以形成龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，能給地方帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益!
目前，石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景已引起自治區(qū)的重視。
2016年自治區(qū)政府工作報(bào)告指出——“重點(diǎn)攻克新材料、石墨烯、機(jī)器人、生態(tài)環(huán)保等重點(diǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵共性技術(shù)，培育發(fā)展一批具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的大型高新技術(shù)骨干企業(yè)和創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)集群，強(qiáng)化企業(yè)創(chuàng)新主體地位和主導(dǎo)作用。”
攻克石墨烯技術(shù)，發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)，沈培康團(tuán)隊(duì)重任在肩!
3 我的夢(mèng)想，打造中國(guó)的“烯谷”
在廣西大學(xué)可再生能源材料協(xié)同創(chuàng)新中心一樓的研究室里，放著幾個(gè)裝著黑色粉末的小瓶子，這是已經(jīng)被科研人員開展實(shí)際應(yīng)用的石墨烯粉體樣品。
相對(duì)于其他學(xué)科，材料學(xué)的科研人員更注重“接地氣”的產(chǎn)品研發(fā)。
“廣西睿奕新能源有限公司已經(jīng)用上了我們的產(chǎn)品。”目前，該公司ER14250型鋰亞硫酰氯電池添加2%的三維石墨烯材料，10mA和25mA放電電池容量測(cè)試提升20%以上的容量。
“我們希望，能盡快建立中試生產(chǎn)示范基地，組建廣西石墨烯研究院，建設(shè)石墨烯產(chǎn)業(yè)園。由此培養(yǎng)和引進(jìn)石墨烯專業(yè)人才，創(chuàng)建廣西石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)，進(jìn)而打造中國(guó)的烯谷，為廣西乃至全國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐和引領(lǐng)示范。”
這就是沈培康在廣西的中國(guó)“烯谷”夢(mèng)想。
廣西并非毫無(wú)優(yōu)勢(shì)——有無(wú)形的技術(shù)資產(chǎn)、政府支持、原材料豐富，關(guān)鍵是必須馬上行動(dòng)，搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機(jī)。
兩三個(gè)月前，沈培康還在為這事煩惱。
“自治區(qū)組織各廳局到外地考察，但反饋回來(lái)的信息不是很樂(lè)觀。大家都認(rèn)為，石墨烯的概念太虛，擔(dān)心下游產(chǎn)品研發(fā)跟不上的話，又是竹籃打水一場(chǎng)空。”為此，沈培康反復(fù)解釋，目前國(guó)內(nèi)的制備方法很多，但成本、設(shè)備費(fèi)用、設(shè)備周期、污染等都成問(wèn)題。而且，二維石墨烯在理論上不可能大量生產(chǎn)石墨烯粉體材料，市場(chǎng)上說(shuō)的石墨烯粉體材料實(shí)際上指的是氧化石墨烯，而氧化石墨烯不是石墨烯。所以，廣西大學(xué)的技術(shù)是目前世界上唯一能生產(chǎn)三維石墨烯粉體材料的技術(shù)。這恰恰是廣西大學(xué)的優(yōu)勢(shì)——成本低，具有競(jìng)爭(zhēng)性;不是石墨片，特性強(qiáng)……
一直以來(lái)，自治區(qū)給予了大力支持。4月1日下午，南寧市政府與廣西大學(xué)在南寧高新區(qū)舉行現(xiàn)場(chǎng)辦公會(huì)，雙方就加快推進(jìn)石墨烯研究及其產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目落戶南寧生態(tài)產(chǎn)業(yè)園進(jìn)行研究和部署。
4月12日至14日，自治區(qū)黨委常委、自治區(qū)常務(wù)副主席唐仁健率團(tuán)赴深圳市考察，其中就包括石墨烯產(chǎn)業(yè)。
目前，在廣西大學(xué)的強(qiáng)力支持下，廣西北部灣石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司已注冊(cè)成功，石墨烯中試基地廠房和裝修正在進(jìn)行，科技項(xiàng)目和產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目也將獲得經(jīng)費(fèi)支持。
在不久的將來(lái)，廣西石墨烯產(chǎn)業(yè)或許會(huì)因?yàn)檫@點(diǎn)火星，燃起燎原大火。“或許，這個(gè)過(guò)程仍很漫長(zhǎng)，難免碰上挫折、失敗，但夢(mèng)想總是要有的，只要我們邁開步子，皆有可能。”沈培康說(shuō)。
(本版文圖均由本報(bào)記者 梁 瑩 本報(bào)實(shí)習(xí)生 蒙國(guó)俊/采寫、收集)
打通科研成果轉(zhuǎn)化斷層
叢星光
產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不僅需要科技的創(chuàng)新，還需要觀念的創(chuàng)新。
科研不是100%成功，尤其是諸如石墨烯這樣的尖端技術(shù)，投資商為了短期盈利、擴(kuò)大知名度或者抬升股價(jià)過(guò)度熱炒，使相關(guān)產(chǎn)業(yè)看起來(lái)猶如鏡花水月，這就讓政府、企業(yè)在科研出成果前望而卻步，錯(cuò)失了最佳的發(fā)展機(jī)遇。缺乏實(shí)質(zhì)投資，靠貨真價(jià)實(shí)的石墨烯產(chǎn)品和技術(shù)來(lái)盈利更是無(wú)從談起。
若是前期投資不足，即便出了成果，科研人員也是付出甚于回報(bào)，這就讓很多科研不是圍繞市場(chǎng)轉(zhuǎn)，而是圍著經(jīng)費(fèi)轉(zhuǎn)，圍著部門轉(zhuǎn)。所以，打通科研成果轉(zhuǎn)化斷層，相關(guān)部門的推動(dòng)必不可少。制定好政策，落實(shí)好內(nèi)容，真正鼓勵(lì)科研人員去創(chuàng)新，把專家教授、科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里研發(fā)出來(lái)的成果更好地轉(zhuǎn)化成社會(huì)、市場(chǎng)需要的產(chǎn)品。這樣才能搶在前頭，走在時(shí)代的前沿。
所幸的是，去年我區(qū)已印發(fā)實(shí)施《廣西科技成果轉(zhuǎn)化行動(dòng)實(shí)施方案(2015-2020)》，將用5年時(shí)間重點(diǎn)開展支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展科技成果轉(zhuǎn)化行動(dòng)、重點(diǎn)領(lǐng)域科技成果引進(jìn)轉(zhuǎn)化行動(dòng)、科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化服務(wù)平臺(tái)建設(shè)行動(dòng)。
再說(shuō)回石墨烯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，需要資源、市場(chǎng)、技術(shù)方面共同發(fā)力，產(chǎn)學(xué)研的市場(chǎng)培育也都需要時(shí)間，需要包括政府、企業(yè)在內(nèi)的投資者有前瞻性的眼光，各界努力，踏實(shí)靜心深耕。
手中掌握著核心技術(shù)，加上政策扶持、機(jī)制完善，相信我區(qū)的石墨烯產(chǎn)業(yè)化，能有更多的發(fā)展空間。而如沈培康團(tuán)隊(duì)這樣手中掌握眾多科研成果、專利的學(xué)者們也能迎來(lái)廣闊未來(lái)。
石墨烯大事記
石墨烯大事記
石墨烯顯示屏概念圖。(資料圖片)
2004年
安德烈·蓋姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)兩位物理學(xué)家合作，從石墨中分離出石墨烯;
2010年
蓋姆、諾沃肖洛夫因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);
2012年
全球石墨烯專利申請(qǐng)數(shù)量達(dá)1829件，同比增長(zhǎng)100%;
2013年
歐盟將石墨烯選入未來(lái)新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目，計(jì)劃未來(lái)十年投入10億歐元打造石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈;
2014年
華為技術(shù)總裁任正非首次接受中國(guó)媒體訪談，提到“石墨烯將顛覆硅時(shí)代”，原本并不為大眾所知的石墨烯，也因此在中國(guó)迅速走紅;
2016年
石墨烯材料寫入中國(guó)國(guó)家“十三五”規(guī)劃，被《中國(guó)制造2025》列為戰(zhàn)略前沿材料之一，成為新材料領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向;
中國(guó)國(guó)家工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合發(fā)文，明確將“推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展”作為“四個(gè)推進(jìn)”之一，并提出具體的發(fā)展方向及措施。
(本版文圖均由本報(bào)記者 梁 瑩 本報(bào)實(shí)習(xí)生 蒙國(guó)俊/采寫、收集)
石墨烯這么火
看看它能應(yīng)用于哪些領(lǐng)域
和我們的生活有什么關(guān)系
石墨烯這么火 制圖/岑泓蓉
導(dǎo)熱材料熱界面材料
2011年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院學(xué)者首先報(bào)道了垂直排列官能化多層石墨烯三維立體結(jié)構(gòu)在熱界面材料中的應(yīng)用及其超高等效熱導(dǎo)率和超低界面熱阻。
車體材料
這是目前廣西大學(xué)科研人員正在研究的方向，通過(guò)添加石墨烯材料而制成的環(huán)氧樹脂(或PET)超強(qiáng)復(fù)合材料，可作為車體材料，使汽車在強(qiáng)度不變甚至更高的基礎(chǔ)上，重量大幅減輕，從而提高車輛行程。
電池材料
按照一定比例及方法在電池中添加石墨烯相關(guān)材料，可使電池電量提高。目前廣西大學(xué)相關(guān)研究可使鋰硫電池提高10-20個(gè)百分點(diǎn)。
超級(jí)電容器
由于石墨烯具有特高的表面面積對(duì)質(zhì)量比例，石墨烯可以用于超級(jí)電容器的導(dǎo)電電極。科學(xué)家認(rèn)為這種超級(jí)電容器的儲(chǔ)存能量密度會(huì)大于現(xiàn)有的電容器。
海水淡化
研究表明，石墨烯過(guò)濾器可能大幅度勝過(guò)其他的海水淡化技術(shù)。
石墨烯生物器件
由于石墨烯的可修改化學(xué)功能、大接觸面積、原子尺寸厚度、分子閘極結(jié)構(gòu)等等特色，應(yīng)用于細(xì)菌偵測(cè)與診斷器件，石墨烯是個(gè)很優(yōu)良的選擇。
(本版文圖均由本報(bào)記者 梁 瑩 本報(bào)實(shí)習(xí)生 蒙國(guó)俊/采寫、收集) 制圖/岑泓蓉
制造業(yè)迎來(lái)新“烯”望
提起石墨烯，大家的第一反應(yīng)大多是“挺高端的，離我們太遠(yuǎn)”。我們經(jīng)常能見到有關(guān)石墨烯的概念在報(bào)紙和網(wǎng)絡(luò)上傳播，讓人感覺石墨烯無(wú)所不能，現(xiàn)實(shí)是否如此石墨烯的產(chǎn)業(yè)化出路在哪里廣西大學(xué)的研究目前進(jìn)展到哪一步為此，記者采訪廣西大學(xué)可再生能源材料協(xié)同創(chuàng)新中心博士、教授田植群。
記者：石墨烯到底是什么，能通俗地解釋嗎
田植群：石墨烯是由碳原子組成的只有單原子層厚度的二維碳材料。如果把石墨烯看成是一張“紙”，這張“紙”就是碳原子以六圓環(huán)的形式連成的，非常非常薄。如果把這些“紙”一層層疊在一起，就叫做石墨。也就是說(shuō)，當(dāng)我們用鉛筆劃一道痕跡，如果這一道痕跡薄到只有一層，這一層就是石墨烯。
記者：石墨烯到底有多神奇
田植群：我們更愿意把石墨烯比喻為“工業(yè)味精”，目前，它最多的使用就是作為添加劑，因?yàn)榫哂袃?yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性以及高強(qiáng)度，所以，把石墨烯添加入各種材料中能產(chǎn)生讓人意想不到的特性。
作為功能性涂料，力學(xué)性可以抗刮痕，導(dǎo)電性可以消除電磁波，抗干擾、防輻射等。石墨烯還可以用于半導(dǎo)體工業(yè)，將石墨烯以涂料的形式涂到相應(yīng)部位，散熱問(wèn)題就可以解決。
記者：現(xiàn)在有報(bào)道石墨烯手機(jī)已經(jīng)研發(fā)出來(lái)了，我們什么時(shí)候能用得上
田植群：石墨烯手機(jī)技術(shù)上說(shuō)可能的，但要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并不“劃算”。
因?yàn)�，讓石墨�?ldquo;長(zhǎng)”起來(lái)不難，但如果要轉(zhuǎn)移應(yīng)用，就得考慮其生長(zhǎng)基底要與應(yīng)用的材料匹配，這方面技術(shù)沒(méi)有突破，成本高、附加值低，所以限制了石墨烯應(yīng)用的發(fā)展。
包括石墨烯電池，美國(guó)最新的石墨烯技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將充電時(shí)間縮短到1分鐘以內(nèi)，但目前該技術(shù)要想成功運(yùn)用到工業(yè)領(lǐng)域還有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，起碼也要5到10年時(shí)間。
記者：我們目前對(duì)石墨烯的研究有了哪些突破
田植群：我們不是做石墨烯薄膜，而是石墨烯的另一種形式——石墨烯粉體。
我們的發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造，是通過(guò)化合物催化方法，產(chǎn)生花朵狀的三維結(jié)構(gòu)組裝體石墨烯，解決了石墨烯的“團(tuán)聚”問(wèn)題。
記者：目前該技術(shù)前景如何
田植群：可以這么說(shuō)，只要有投資，把生產(chǎn)線搭建起來(lái)，想要多少就可以生產(chǎn)多少，且不用擔(dān)心環(huán)保問(wèn)題，這就為石墨烯產(chǎn)業(yè)化和下游產(chǎn)業(yè)的研發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)。
目前，我們生產(chǎn)出來(lái)的石墨烯粉體可以作為電池、電容器中的電極材料——碳的替代品。如石墨烯鋰硫電池已經(jīng)應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)中，超級(jí)電容器在兩三年內(nèi)可以生產(chǎn)。
另外，重點(diǎn)發(fā)展方向是應(yīng)用于車體材料，五六年內(nèi)可出成果。
(本版文圖均由本報(bào)記者 梁 瑩 本報(bào)實(shí)習(xí)生 蒙國(guó)俊/采寫、收集)
