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中国科学家坚守石墨烯研究十余载,打通产业落地新道路

2018-10-22 11:24:11    创事记 微博 作者: 麻省理工科技评论   

  十年前,人工智能还被叫做模式识别,中本聪也才刚刚提出区块链概念。现如今,人类发现了石墨烯的新制法,利用 CRISPR-Cas9 战胜了过去不可治愈的病症,甚至发射了可回收的运载火箭。然而,这些在十年前可能连想都不敢想。

  科学家们的薪火不断传承,推动着社会的车轮向前跃进,最终造就了美好生活。其实今天的我们和十年前是一样的,仍无法预测科技会发展成什么样子。然而,这份未知和神秘也正是科技的独特魅。

  我们依然会继续畅想,今后的生活会是怎样。憧憬明天对于任何人来说都是前进的动力,维克多雨果曾说过,“没有什么比梦想更能创造未来。”

  例如,坚守石墨烯研究十余载的中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员——陈成猛。他突破高品质石墨烯规模化制备技术,通过产学研合作走自主创新之路,最终打通石墨烯从原料、材料、器件到应用的创新链。

  神奇材料石墨烯只有一层原子厚,是炭材料的基本结构单元。由于其十分良好的力学、导电、导热和光学特性,在电子信息、航空航天、储能和环保等领域都有巨大应用潜力。2004 年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功分离出石墨烯,在科学界引起轰动,二人也因石墨烯方面的开创性研究于 2010 年获得诺贝尔物理学奖。自此,石墨烯及相关应用的研究迎来了井喷。

  我国的石墨烯研究始于 2006 年左右,那时石墨烯还只是材料人眼中的海市蜃楼,虽然看上去很美好,但无论从理论、制备还是应用来看,石墨烯研究都仅仅是初级阶段,还未披上诺奖光环的石墨烯在国内其实并不受重视。

  从 2007 年起,陈成猛在碳素领域前辈王茂章研究员指导下,在中国科学院山西煤炭化学研究所以硕士课题为起点开始研究石墨烯,2009 年开始攻读博士并于 2011 年赴德国马普协会弗里茨哈伯研究所学习。2012 年,陈成猛学成归国,顺利通过博士毕业答辩,并在 27 岁时被破格提拔为课题组长,创下了煤化所的历史纪录。

  自此,风华正茂的陈成猛受命组建 709 课题组(石墨烯与新能源材料研究组),开展石墨烯的基础科学研究、合成与应用技术开发。作为我国石墨烯首批研究者之一,他亲历了石墨烯从实验室到产业化、从样品到产品、从制备到应用的蜕变,也见证了国内石墨烯研究和行业发展的历程。

图丨陈成猛图丨陈成猛

  2010 年前,由于没有规模化生产,市场上石墨烯多源自实验室合成,每克粉体价格高达 3000 多元。性能虽十分诱人,但高昂的价格让大多下游用户望而却步。因此,在课题组成立之初,陈成猛选择了石墨烯制备作为主攻方向,这是石墨烯研究和产业发展的起点,也是制约石墨烯应用的瓶颈环节。

  石墨烯是结构精细的二维纳米材料,如何在可控的成本内制备高质量石墨烯材料难度很大,陈成猛选择了经典的氧化还原法,这是一种先将石墨氧化插层合成氧化石墨中间体,再热还原制石墨烯的方法。该方法简单易行且原材料广,与化工单元操作和粉体过程十分匹配,具备进一步放大的可行性。

  然而石墨烯是全新的领域,国内外都没有可供借鉴的工程化案例,所有的工艺和装备都必须自己摸索。在陈成猛的带领下,团队与晋能集团合作,突破了石墨烯制备工程化技术,解决了中间体分离纯化和连续膨化炭化等多个工艺和装备难题。2014 年底,吨级石墨烯中试线在太原投产,一举将石墨烯的生产成本从每克 500 元降至 20 元。材料终于出来了,而另一个挑战又摆在面前,那就是怎么去用?因为对于石墨烯这种新材料,其应用尚不成熟,市场也亟待培育。

  因此,他们不仅要供给用户一流的材料,还要提供配套的应用解决方案。于是,陈成猛的 709 课题组与山西三维合作,打造了新型储能器件中试平台,通过系统集成打通了石墨烯从原料、材料、器件到应用的创新链,组装了新型的石墨烯增强超级电容单体和模组,仅添加 2wt%的石墨烯,就将储能能量和功率密度分别提升了 30% 和 40%。

  石墨烯在学术界的热潮依然高涨,诺奖加身更令其光芒闪耀。而历经十余年间我国科学家的奋斗,我国在石墨烯上的研究已位列世界先进水平,论文发表数量居世界首位。但是,石墨烯研究与应用之间依然存在着断层,也面临“文章一大片,材料看不见”的窘境。

  而作为我国石墨烯科研国家队的领军人物之一,陈成猛特别注重材料的应用基础研究。他认为,石墨烯应用存在“木桶效应”,我们不能只看材料特性的长板,更应关注那些制约商业化应用的短板。只有立足实际应用,通过技术创新打通产业与市场的通路,实现产业落地,才能真正让石墨烯服务于中国和世界。

  科学家们是各自领域的“大梦想家”,一起畅想着未来世界,并为之付诸行动。

  10月27日,由《麻省理工科技评论》、DeepTech深科技联合主办,梅赛德斯-奔驰特别呈现的“全球科技青年论坛——Meet 35” 将在北京嘉里大酒店举行。会上设置了“科技大梦想家”版块,科学家们将现场讲述他们的科技梦想。

  陈成猛副研究员此次将出席“科技大梦想家”版块,并在现场与我们分享中国科学家如何利用前沿技术实现石墨烯产业落地。更多精彩内容及重磅嘉宾敬请期待!

文章关键词: 网络文化

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