石墨烯產(chǎn)業(yè)化，怎樣走才對(duì)路

它是目前世界上已知最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電性導(dǎo)熱性最高的新型納米材料；

它是近年來耀眼的新材料之星。

擺出這兩條，你一定猜到了，它，是石墨烯。

有關(guān)它的最新消息是，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理教授蘇陽與其合作者近日發(fā)現(xiàn)，用一種基于還原氧化石墨烯制備的石墨烯材料，可精準(zhǔn)快速吸附電子垃圾中的金離子并還原為純金顆粒，進(jìn)而發(fā)展出一種基于石墨烯薄膜、適合規(guī)模化生產(chǎn)的連續(xù)金吸附方法。由于商用氧化石墨烯的成本遠(yuǎn)低于金價(jià)，該石墨烯材料具有大規(guī)模應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性，為實(shí)現(xiàn)金資源可持續(xù)性發(fā)展和電子垃圾回收提供了新的解決方案。

其實(shí)，對(duì)于石墨烯的關(guān)注，無非是這些，它能為我們做什么？它真的無所不能嗎？

石墨烯是只有一個(gè)原子層厚度的單層石墨片，理論強(qiáng)度是鋼的百倍，幾乎完全透明，由于其獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，石墨烯可以想象的應(yīng)用場(chǎng)景很多，但目前大部分仍處于研發(fā)階段，比如電子信息、能源、功能性材料、生物醫(yī)藥、節(jié)能環(huán)保、航空航天領(lǐng)域等。與此同時(shí)，經(jīng)過10多年的發(fā)展，科研人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種制作石墨烯的方法，并使其進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

現(xiàn)在的問題是，石墨烯實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，怎么走才對(duì)路？

從一公斤到幾公斤，沒有高端裝備怎么行

“對(duì)于石墨烯的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化可謂見仁見智?！敝袊?guó)科學(xué)院過程工程研究所王鈺研究員說，盡管眾說紛紜，但大家有一個(gè)普遍共識(shí)：對(duì)于石墨烯產(chǎn)業(yè)來說，制備決定未來。

王鈺帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種高品質(zhì)石墨烯制備方法，這是一種融合多物理場(chǎng)、多工藝環(huán)節(jié)耦合，將三維石墨塊體剝離形成二維納米材料的物理過程。

2012年，王鈺團(tuán)隊(duì)耗時(shí)月余，為國(guó)內(nèi)某知名汽車企業(yè)提供一公斤石墨烯粉體材料用于試驗(yàn)。為反復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)成果，該企業(yè)提出再做幾公斤的想法，這需要用去整個(gè)團(tuán)隊(duì)一整年的時(shí)間?！靶虏牧弦嫦蚬I(yè)發(fā)展，必須突破實(shí)驗(yàn)室里的‘瓶瓶罐罐’，開發(fā)與新材料相匹配的裝備。”王鈺坦言，裝備研制不是他們的強(qiáng)項(xiàng)。

“提高壓力，反應(yīng)容器就碎了。”耗時(shí)兩年、多學(xué)科專家合作研制的裝備，敗于關(guān)鍵零部件的材料缺陷?！安牧吓c裝備如鳥之雙翼，缺一不可！”痛定思痛，王鈺團(tuán)隊(duì)利用石墨烯開發(fā)出新的陶瓷材料，完成升級(jí)高壓均質(zhì)機(jī)的研制，可謂“以石墨烯之矛，攻石墨烯之盾”的經(jīng)典案例。今年，在“科技支寧”東西部合作機(jī)制推動(dòng)下，利用王鈺團(tuán)隊(duì)的工藝和裝備，寧夏某企業(yè)完成第三代高純石墨烯生產(chǎn)線建設(shè)，年產(chǎn)量達(dá)20萬噸。

“基礎(chǔ)決定實(shí)力，工藝決定質(zhì)量，裝備決定勝負(fù)。”中國(guó)科學(xué)院院士、北京石墨烯研究院院長(zhǎng)劉忠范認(rèn)為，裝備是工藝的固化，先進(jìn)的制備工藝需要新的裝備來實(shí)現(xiàn)，自主研發(fā)裝備也是保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要舉措。

石墨烯不是萬金油

石墨烯有“新材料之王”的美譽(yù)，也有“騙局”“坑王”的毀譽(yù)，其發(fā)展和應(yīng)用多年來爭(zhēng)議不斷。那么，實(shí)際應(yīng)用中它真如理論上所說無所不能嗎？

以石墨烯涂料為例，超薄石墨烯微片可以比傳統(tǒng)玻璃鱗片（3～5微米）提供更好的物理屏蔽，延緩腐蝕介質(zhì)的滲透，但比金屬更穩(wěn)定的高導(dǎo)電性石墨烯會(huì)加劇金屬的電化學(xué)腐蝕，其提供的物理屏蔽效應(yīng)只能滿足短期防腐需求。

作為添加劑或多功能二維納米填料，石墨烯可以賦予聚合物復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能，擴(kuò)展材料的應(yīng)用范圍，這是國(guó)內(nèi)研究和應(yīng)用比較多的領(lǐng)域。但是無缺陷的石墨烯表現(xiàn)出憎水憎油特性，難以均勻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備聚合物復(fù)合材料，這樣做又會(huì)損害材料的性能。

2021年，一則“8分鐘充滿80%，續(xù)航1000公里”的汽車海報(bào)，將石墨烯電池送到輿論的風(fēng)口浪尖?！笆┠軌蛱岣叱浞烹娝俾?，而對(duì)于容（能）量的提升基本沒有任何幫助，其噱頭意義大于實(shí)用價(jià)值。”清華大學(xué)材料科學(xué)與工程博士劉冠偉從理論上解釋，單純依靠石墨烯電池提高續(xù)航里程的希望十分渺茫。

以碳纖維為例，劉忠范說：“已經(jīng)花了60年，還遠(yuǎn)沒有成熟。”石墨烯從2004年在實(shí)驗(yàn)室被發(fā)現(xiàn)，迄今只有10多年時(shí)間，無論是材料制備還是尋找“撒手锏”級(jí)的應(yīng)用，都要有十年磨一劍的耐心，要放眼未來，聚焦打造核心競(jìng)爭(zhēng)力。

要基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究?jī)蓷l腿走路

截至2020年年底，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)有近17000家，論文總數(shù)占全球三分之一，專利數(shù)量占全球總數(shù)三分之二，從研究規(guī)模和人才隊(duì)伍看，我國(guó)已屬于第一方陣。

然而，“我們的石墨烯產(chǎn)業(yè)更多關(guān)注具體產(chǎn)品，掙快錢，但它們未必是未來的主導(dǎo)應(yīng)用”。劉忠范對(duì)當(dāng)前的“石墨烯熱”表示擔(dān)心。石墨烯產(chǎn)業(yè)依賴于石墨烯材料本身，沒有好的材料就失去了產(chǎn)業(yè)的根基?！鞍巡牧献龊檬顷P(guān)鍵！”劉忠范鼓勵(lì)研究人員要有耐心和堅(jiān)持，既要有原創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究，也需要精益求精的研發(fā)和持續(xù)不斷的投入。

“在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域要奮起直追，同時(shí)要對(duì)材料的本質(zhì)有深刻理解，將材料的精妙之處發(fā)揮出來?！蓖踱曊J(rèn)為，新材料和新裝備的發(fā)展是永無止境的，針對(duì)不同的應(yīng)用需求，要有精細(xì)化研究的理念和思路，做到“一把鑰匙開一把鎖”。

（原載于《光明日?qǐng)?bào)》 2022-08-23 10版）