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世界观焦点:石墨烯产业化,怎样走才对路

时间:2022-08-24 10:00:43       来源:光明网-《光明日报》

光明日报记者 张晓华


(资料图片仅供参考)

它是目前世界上已知最薄、最坚硬、导电性导热性最高的新型纳米材料;

它是近年来耀眼的新材料之星。

摆出这两条,你一定猜到了,它,是石墨烯。

有关它的最新消息是,清华大学深圳国际研究生院助理教授苏阳与其合作者近日发现,用一种基于还原氧化石墨烯制备的石墨烯材料,可精准快速吸附电子垃圾中的金离子并还原为纯金颗粒,进而发展出一种基于石墨烯薄膜、适合规模化生产的连续金吸附方法。由于商用氧化石墨烯的成本远低于金价,该石墨烯材料具有大规模应用的经济可行性,为实现金资源可持续性发展和电子垃圾回收提供了新的解决方案。

其实,对于石墨烯的关注,无非是这些,它能为我们做什么?它真的无所不能吗?

石墨烯是只有一个原子层厚度的单层石墨片,理论强度是钢的百倍,几乎完全透明,由于其独特的物理、化学性质,石墨烯可以想象的应用场景很多,但目前大部分仍处于研发阶段,比如电子信息、能源、功能性材料、生物医药、节能环保、航空航天领域等。与此同时,经过10多年的发展,科研人员已经发现了多种制作石墨烯的方法,并使其进入工业生产领域。

现在的问题是,石墨烯实现产业化,怎么走才对路?

从一公斤到几公斤,没有高端装备怎么行

“对于石墨烯的发展和产业化可谓见仁见智。”中国科学院过程工程研究所王钰研究员说,尽管众说纷纭,但大家有一个普遍共识:对于石墨烯产业来说,制备决定未来。

王钰带领团队研发了一种高品质石墨烯制备方法,这是一种融合多物理场、多工艺环节耦合,将三维石墨块体剥离形成二维纳米材料的物理过程。

2012年,王钰团队耗时月余,为国内某知名汽车企业提供一公斤石墨烯粉体材料用于试验。为反复验证试验成果,该企业提出再做几公斤的想法,这需要用去整个团队一整年的时间。“新材料要面向工业发展,必须突破实验室里的‘瓶瓶罐罐’,开发与新材料相匹配的装备。”王钰坦言,装备研制不是他们的强项。

“提高压力,反应容器就碎了。”耗时两年、多学科专家合作研制的装备,败于关键零部件的材料缺陷。“材料与装备如鸟之双翼,缺一不可!”痛定思痛,王钰团队利用石墨烯开发出新的陶瓷材料,完成升级高压均质机的研制,可谓“以石墨烯之矛,攻石墨烯之盾”的经典案例。今年,在“科技支宁”东西部合作机制推动下,利用王钰团队的工艺和装备,宁夏某企业完成第三代高纯石墨烯生产线建设,年产量达20万吨。

“基础决定实力,工艺决定质量,装备决定胜负。”中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范认为,装备是工艺的固化,先进的制备工艺需要新的装备来实现,自主研发装备也是保护知识产权的重要举措。

石墨烯不是万金油

石墨烯有“新材料之王”的美誉,也有“骗局”“坑王”的毁誉,其发展和应用多年来争议不断。那么,实际应用中它真如理论上所说无所不能吗?

以石墨烯涂料为例,超薄石墨烯微片可以比传统玻璃鳞片(3~5微米)提供更好的物理屏蔽,延缓腐蚀介质的渗透,但比金属更稳定的高导电性石墨烯会加剧金属的电化学腐蚀,其提供的物理屏蔽效应只能满足短期防腐需求。

作为添加剂或多功能二维纳米填料,石墨烯可以赋予聚合物复合材料优异的力学、电学、热学性能,扩展材料的应用范围,这是国内研究和应用比较多的领域。但是无缺陷的石墨烯表现出憎水憎油特性,难以均匀分散在聚合物材料中,通常需要使用有缺陷的氧化石墨烯制备聚合物复合材料,这样做又会损害材料的性能。

2021年,一则“8分钟充满80%,续航1000公里”的汽车海报,将石墨烯电池送到舆论的风口浪尖。“石墨烯能够提高充放电速率,而对于容(能)量的提升基本没有任何帮助,其噱头意义大于实用价值。”清华大学材料科学与工程博士刘冠伟从理论上解释,单纯依靠石墨烯电池提高续航里程的希望十分渺茫。

以碳纤维为例,刘忠范说:“已经花了60年,还远没有成熟。”石墨烯从2004年在实验室被发现,迄今只有10多年时间,无论是材料制备还是寻找“撒手锏”级的应用,都要有十年磨一剑的耐心,要放眼未来,聚焦打造核心竞争力。

要基础研究与应用研究两条腿走路

截至2020年年底,我国石墨烯产业相关企业有近17000家,论文总数占全球三分之一,专利数量占全球总数三分之二,从研究规模和人才队伍看,我国已属于第一方阵。

然而,“我们的石墨烯产业更多关注具体产品,挣快钱,但它们未必是未来的主导应用”。刘忠范对当前的“石墨烯热”表示担心。石墨烯产业依赖于石墨烯材料本身,没有好的材料就失去了产业的根基。“把材料做好是关键!”刘忠范鼓励研究人员要有耐心和坚持,既要有原创性的基础研究,也需要精益求精的研发和持续不断的投入。

“在基础研究领域要奋起直追,同时要对材料的本质有深刻理解,将材料的精妙之处发挥出来。”王钰认为,新材料和新装备的发展是永无止境的,针对不同的应用需求,要有精细化研究的理念和思路,做到“一把钥匙开一把锁”。

《光明日报》( 2022年08月23日 10版)

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