鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2018年12月11日
中國科學家堅守石墨烯研究十余載,合作走自主創新之路
十年前,人工智能還被叫做模式識別,中本聰也才剛剛提出區塊鏈概念。現如今,人類發現了石墨烯的新制法,利用CRISPR-Cas9戰勝了過去不可治愈的病癥,甚至發射了可回收的運載火箭。然而,這些在十年前可能連想都不敢想。
科學家們的薪火不斷傳承,推動著社會的車輪向前躍進,最終造就了美好生活。其實今天的我們和十年前是一樣的,仍無法預測科技會發展成什么樣子。然而,這份未知和神秘也正是科技的獨特魅。
我們依然會繼續暢想,今后的生活會是怎樣。憧憬明天對于任何人來說都是前進的動力,維克多雨果曾說過,“沒有什么比夢想更能創造未來。”
例如,堅守石墨烯研究十余載的中國科學院山西煤炭化學研究所副研究員——陳成猛。他突破高品質石墨烯規模化制備技術,通過產學研合作走自主創新之路,最終打通石墨烯從原料、材料、器件到應用的創新鏈。
神奇材料石墨烯只有一層原子厚,是炭材料的基本結構單元。由于其十分良好的力學、導電、導熱和光學特性,在電子信息、特種航天、儲能和環保等領域都有巨大應用潛力。2004年,英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功分離出石墨烯,在科學界引起轟動,二人也因石墨烯方面的開創性研究于2010年獲得諾貝爾物理學獎。自此,石墨烯及相關應用的研究迎來了井噴。
我國的石墨烯研究始于2006年左右,那時石墨烯還只是材料人眼中的海市蜃樓,雖然看上去很美好,但無論從理論、制備還是應用來看,石墨烯研究都僅僅是初級階段,還未披上諾獎光環的石墨烯在國內其實并不受重視。
從2007年起,陳成猛在碳素領域前輩王茂章研究員指導下,在中國科學院山西煤炭化學研究所以碩士課題為起點開始研究石墨烯,2009年開始攻讀博士并于2011年赴德國馬普協會弗里茨哈伯研究所學習。2012年,陳成猛學成歸國,順利通過博士畢業答辯,并在27歲時被破格提拔為課題組長,創下了煤化所的歷史紀錄。
自此,風華正茂的陳成猛受命組建709課題組(石墨烯與新能源材料研究組),開展石墨烯的基礎科學研究、合成與應用技術開發。作為我國石墨烯首批研究者之一,他親歷了石墨烯從實驗室到產業化、從樣品到產品、從制備到應用的蛻變,也見證了國內石墨烯研究和行業發展的歷程。
2010年前,由于沒有規模化生產,市場上石墨烯多源自實驗室合成,每克粉體價格高達3000多元。性能雖十分誘人,但高昂的價格讓大多下游用戶望而卻步。因此,在課題組成立之初,陳成猛選擇了石墨烯制備作為主攻方向,這是石墨烯研究和產業發展的起點,也是制約石墨烯應用的瓶頸環節。
石墨烯是結構精細的二維納米材料,如何在可控的成本內制備高質量石墨烯材料難度很大,陳成猛選擇了經典的氧化還原法,這是一種先將石墨氧化插層合成氧化石墨中間體,再熱還原制石墨烯的方法。該方法簡單易行且原材料廣,與化工單元操作和粉體過程十分匹配,具備進一步放大的可行性。
然而石墨烯是全新的領域,國內外都沒有可供借鑒的工程化案例,所有的工藝和裝備都必須自己摸索。在陳成猛的帶領下,團隊與晉能集團合作,突破了石墨烯制備工程化技術,解決了中間體分離純化和連續膨化炭化等多個工藝和裝備難題。2014年底,噸級石墨烯中試線在太原投產,一舉將石墨烯的生產成本從每克500元降至20元。材料終于出來了,而另一個挑戰又擺在面前,那就是怎么去用?因為對于石墨烯這種新材料,其應用尚不成熟,市場也亟待培育。
因此,他們不僅要供給用戶一流的材料,還要提供配套的應用解決方案。于是,陳成猛的709課題組與山西三維合作,打造了新型儲能器件中試平臺,通過系統集成打通了石墨烯從原料、材料、器件到應用的創新鏈,組裝了新型的石墨烯增強超級電容單體和模組,僅添加2wt%的石墨烯,就將儲能能量和功率密度分別提升了30%和40%。
石墨烯在學術界的熱潮依然高漲,諾獎加身更令其光芒閃耀。而歷經十余年間我國科學家的奮斗,我國在石墨烯上的研究已位列世界先進水平,論文發表數量居世界首位。但是,石墨烯研究與應用之間依然存在著斷層,也面臨“文章一大片,材料看不見”的窘境。
而作為我國石墨烯科研國家隊的領軍人物之一,陳成猛特別注重材料的應用基礎研究。他認為,石墨烯應用存在“木桶效應”,我們不能只看材料特性的長板,更應關注那些制約商業化應用的短板。只有立足實際應用,通過技術創新打通產業與市場的通路,實現產業落地,才能真正讓石墨烯服務于中國和世界。
科學家們是各自領域的“大夢想家”,一起暢想著未來世界,并為之付諸行動。










