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当石墨烯遇上等离子体:产业化的黎明前夕

作者:本刊记者 刘 江  来源:科学中国人  发布时间:2017-8-21

导读:  从英国物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授捧起诺贝尔物理学奖的那一刻起,到习近平主席访英期间参观曼切斯特大学国家石墨烯研究院,华为牵手英国曼切斯特大学共同研究石墨烯应用,2015中国国际石墨烯创新大会在青岛盛大召开……石墨烯——这个脱胎于石墨、被誉为“黑金”的新材料,始终被聚焦于闪光灯下,举世瞩目。中国科学院合肥研究院石墨烯研究中心首席科学家兼负责人王奇,对石墨烯纳米材料和新能源电池研究近十年,他表示:“石墨烯铂复合材料可以提高燃料电池的反应效率,在航空航天、能源、环境等领域有着极为广阔的应用前景。”

  
  2010年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)教授自捧起诺贝尔物理学奖的那一刻起,石墨烯——这个脱胎于石墨、被誉为“黑金”的新材料,就被聚焦于闪光灯下,举世瞩目。
  随之而来,习近平主席访英期间参观曼切斯特大学国家石墨烯研究院,华为牵手英国曼切斯特大学共同研究石墨烯应用,2015中国国际石墨烯创新大会在青岛盛大召开石墨烯的每一次出镜,无一不撩动着大众的心弦,并被寄予厚望:“石墨烯进步一小步,世界前进一大步”。
  事实上,尽管近几年石墨烯才成为关注的焦点,但“早在2004年,石墨烯就已经在实验室里被制备出来了,”王奇向记者介绍说。这位中国科学院等离子体物理研究所的副研究员,已有近10年石墨烯纳米材料和新能源电池研究,核能科学与工程、环境科学、等离子技术与应用等多学科交叉研究经验,并以负责人身份主持了国家自然科学基金、重点研发计划、中国科学院“青年创新促进会”人才专项等多项科研项目。作为国际石墨烯大会的特邀嘉宾之一,王奇从2008年起就已经开始关注这种新型材料,并在研究工作中成功将等离子体技术和石墨烯及其复合材料的制备有效结合,开发出高效的各类催化剂,成为国内外的首创方法。
  
石墨烯为什么如此令人瞩目?
  
  石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚度仅为1毫米的石墨就大约包含300万层石墨烯。
  2004年,安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。2010年,这两位科学家共同获得诺贝尔物理奖给很多人留下了深刻印象,毕竟不是每一个诺贝尔奖的实验工具都像胶带纸一般亲民常见,也不是每一个诺贝尔奖的研究对象都像石墨烯那样神奇又易于理解,更毋论石墨烯所拥有的独特性能和广阔应用了。
  “石墨烯的应用领域有很多,”王奇介绍说。随着石墨烯的研究和产业化发展持续升温,相关专利.也呈现爆发式增长,据统计,有关石墨烯的专利在2010年仅为353件,到了2012年就暴增到1829件。而从石墨烯专利的领域分布来看,其应用技术研究布局热点包括:石墨烯用作锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明导电薄膜等。
  不久前,据新华社报道,王奇和南京师范大学韩敏教授课题组合作,在高性能杂原子掺杂石墨烯基纳米结构的规模化制备及其在柔性全固态超级电容器应用方面取得重要进展。部分研究成果已在线发表于国际著名SCI期刊Small上,并被选为该杂志的Inside Front Cover。采访中,他对这个项目做了更进一步的解读:“石墨烯应用很广,目前大家关注点集中在电池领域,比如小到智能手机、笔记本电脑,大到汽车乃至飞机的电池,就石墨烯的特性而言,在超级电容器方面有其独特的优势。”
  《哈利波特》系列电影中动态显示的魔法报纸给很多人留下了深刻印象,从某一方面来讲,这也可算作是一种柔性显示屏幕。随着科技的迅猛发展,柔性电子时代已触手可及,无论是外形还是功能,这些产品都在不断刷新着人们的眼球。就其中的柔性可穿戴设备而言,能否开发出柔性全固态超级电容器,成为其未来发展的关键。要想实现这一目的,设计开发出兼具优异储能和机械性质的电极材料不可或缺。杂原子掺杂石墨烯以及层状金属硫化物的出现,为高性能电极材料的设计带来了新的契机,但其储能性能尚需进一步提高。能否将上述两类材料有效“联姻”或耦合,从而发展出高性能的电极材料,至今仍是材料科学和化学领域极具挑战性的课题。针对上述问题,王奇和韩敏课题组开展了合作研究。巧妙地将有机分子的碳化、掺杂、相转换和自组装等重要的物理化学过程集成于一体,成功得到了新颖的三维多孔杂化纳米结构。相比传统合成策略,该方法具有简单高效、重现性好、可规模化制备等优点,为延伸和拓展掺杂石墨烯材料在清洁能源、光电和传感等重要技术领域的应用奠定了基础。所得三维石墨烯复合材料质量比电容远高于近来报道的石墨烯复合物和其他电活性材料。随后,他们进一步研制出了柔性全固态超级电容器器件,展现出优异的电化学储能性能和长程循环稳定性、优秀的柔性和机械稳定性,优于报道的其他材料的柔性超级电容器。
  这项工作提出了原位集成和组装二维纳米结构单元来构建三维多孔杂化纳米建筑或骨架材料的新策略,且具备规模化制备的前景,为今后理性设计高性能的杂化电极材料,发展柔性功率源或能量储存装置铺垫了道路。对于后续进展,王奇充满信心:“通过优化设计和组合,还有望延伸出其它类型的多功能三维多孔骨架材料。”
  
为石墨烯产业化奠定基础
  
  2010年,王奇进入中国科学院等离子体物理研究所攻读博士学位,师从国家杰出青年基金、长江学者王祥科研究员。读博期间,在导师的指导下,他将低温等离子体技术和石墨烯及其复合材料的制备有效结合,经过无数次的实验和探索总结,发展了一套独特的材料制备和处理体系,开发出高效的催化剂,在国际国内均属首创,引起了国际同行专家的关注。由于科研成果受到国际认可,应邀在影响因子高达38.618的国际顶级SCI期刊Chemical Society Reviews上发表论文,同时科研成果被《中国科学报》头版头条报道,基于王奇在石墨烯及其复合材料制备及应用研究方面取得的突出成绩。2014年,他荣获中国科学院“院长特别奖”。这一奖项,是对中国科学院在学研究生的最高奖励,也是全国公认的中科院最优秀研究生的标志。2015年,他又获得了中科院优秀博士学位论文。
  曾有媒体用“一半是火焰,一半是海水”来形容当前石墨烯产业发展的境况——一边是制备技术研发不断成熟,呈现出资本热、学术热;另一边是规模化应用频频遇冷,产业化发展亟待突破。而在王奇看来,石墨烯产业发展的这种境况将有望被打破,石墨烯产业化正步入黎明前夕。他的研究方向——利用低温等离子技术制备石墨烯铂,其性能测试已证明超过了商用催化剂,而他采用的一步式有效耦合方法,使之具备了规模化前提,也为今后的产业化打下基础。
  近年来,作为碳家族的新成员,石墨烯由于其更为出色的比表面积和优异的电学性能而在各个领域大放异彩,在燃料电池中,也被广泛用作催化剂载体。“石墨烯有高的比表面积,其氧化物能够有效的锚定金属离子,”王奇表示,石墨烯铂复合材料可以提高燃料电池的反应效率,在航天航空、能源、环境等领域有着极为广泛的应用前景。然而,在实际应用中人们发现,碳纳米管、石墨烯等载体的表面呈惰性和疏水性,虽然在燃料电池的工作环境下表现出了良好的抗腐蚀和稳定性,但同时也给催化剂粒子在其表面的附着带来了困难。为了给金属粒子提供更多牢固的附着点,必须首先对碳管及石墨烯进行表面改性以改进它们的表面活性。因此,人们探寻一种温和的表面功能化方法,既可在载体表面形成官能团,又不对其表面产生破坏,还要避免污染。“低温等离子体法就是这样一种理想的方法”,王奇总结道。这种方法快速、便捷、环境友好,避免了使用化学还原剂,使得催化剂表现出良好的活性,抗中毒能力和催化甲醇氧化能力均较商用铂催化剂有较为显著的提高。作为一个横空出世的新鲜事物,国内外少有可供借鉴的石墨烯科研案例。“工艺和装备细节都需通过反复论证、探索和实践后才能确定,其中难免会有反复乃至失败,”虽然采访中王奇对困难轻描淡写,但每前进一步,无疑都需要他付出比传统方向更多的辛苦和代价。得益于勤奋踏实年轻化的团队、优秀的技术人才、系统的工程化思维和理念,王奇这一研究成果,为低温等离子体技术在新型电池等能量储存和转换设备上的应用打下了坚实的基础。
  
“‘等离子体’和‘石墨烯’是我的科研‘标签’”
  
  “这项研究的成功给了我很大信心,也让我更加坚定在这条路上一直走下去”,在王奇看来,科研之路尽管崎岖,却充满未知的探索与乐趣:“新型电池关键在于电极材料的性能。未来,电极材料设计这个方向很有挖掘空间,我将继续在这个方向中立足于石墨烯电极材料的研究。”
  2014年,王奇博士毕业,留任中国科学院等离子体物理研究所。作为国内外较早开展低温等离子体制备石墨烯及其复合材料的研究者,他发展了一套完备地制备石墨烯、贵金属—石墨烯复合物以及掺杂石墨烯的等离子体制备方法,并详细地研究了等离子体参数调控与石墨烯复合材料结构变化之间的对应关系。
  “虽然现在热点很多,鼓励各专业交叉合作,但要重视一点:不要追求面面俱到,一定要有自己的特色”,王奇强调,工作的系统性是科研能否出成果的关键因素,“现在,‘等离子体’和‘石墨烯’就是我的‘标签’了”,他笑言。就在2016年,王奇还获得2016年度安徽省杰出青年科学基金项目的资助,为科研再开一扇窗。未来,他将进一步拓展前期研究内容,为构筑等离子体可控制备纳米材料制备方法学提供详实的研究基础。
  眼下,石墨烯被资本市场捧成了“上帝材料”,身处风口浪尖的最前沿,对于其将来发展,王奇表现出科研工作者特有的理性思考和冷静分析:石墨烯会被用来改变很多产业的产品表现,但产业化进程不能一蹴而就,而是一个持续努力的过程。特别是新领域,可借鉴的经验很少,与传统研究方向相比,更容易遭受挫折。因此,脚踏实地,做好石墨烯应用基础研究是科研人员当前的主要任务。“真正实现石墨烯突破性研究和产业化,我们还有很长的路要走,但每一步都走的有意义”王奇说。
  

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