引領新材料的革命

    創新之路

    作者：祝傳海

    2004年，英國曼切斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫製成了石墨烯材料，自那時起，石墨烯在全球範圍內掀起研究和產業化熱潮。

    石墨烯，一個被稱為21世紀的神奇材料。它的厚度相當於一個碳原子，其強度是結構鋼的200倍，是迄今為止厚度最薄、強度最高的材料，其導電導熱性質優於常規金屬。憑借其突出的物理化學性質，石墨烯成為我國“十三五”規劃中的前沿新材料之一。

    然而，開發石墨烯新材料離不開低成本、高效率的製備技術。2013年10月29日，複旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室盧紅斌團隊提出了一種低成本、可規模化液相剝離製備高質量石墨烯的新技術。這可能成為迄今為止所有高質量石墨烯製備技術中技術路線最為簡潔高效、成本最為低廉（成本估算小於0.1元/克），且能和下遊產品形成良好銜接的可規模化製備技術。如今，他正和團隊走在我國石墨烯研究從實驗室向產業化過渡的路上。

    石墨烯產業化時代

    2015年3月2日，全球首批3萬部量產石墨烯手機在重慶發布，開啟了石墨烯產業化應用的新時代。此外，石墨烯將被列入國家的“十三五”規劃，並有設立的100億新興產業創投基金加速石墨烯產業的發展。國家計劃在兩年內實現石墨烯的產業化應用。

    早在2008年，盧紅斌團隊便注意到石墨烯的一些獨特性質，“它既是納米的一個片層，同時又是一個碳材料，且具有很好的導電、導熱性，我們想知道它能不能與聚合物結合起來，於是便開始了石墨烯複合材料的研究”。

    隨著聚合物材料和複合材料等輕質材料在汽車部件中的應用逐年增加，發展汽車輕量化技術和新能源汽車已成為迫在眉睫的關鍵性任務。在這一需求下，盧紅斌選定了自己的研究方向。他介紹說，石墨烯可從兩個方麵促進車用材料的高性能化，一是車用材料的輕量化，二是車用儲能材料的高性能化。在保證汽車強度和安全性前提下，輕量化技術可以盡可能降低整車重量、提高動力性、降低燃料消耗，而這些主要是通過合理的結構設計和材料選擇來實現的。通常而言，整車重量降低10%，燃油效率可提高68%，汽車重量每減輕100公斤，百公油耗可降低0.30.6升，CO2排放可減少5克/公。

    在盧紅斌看來，石墨烯能夠顯著改善聚合物材料的力學、熱學、電學、阻燃以及尺寸穩定性，可望在車用塑料薄壁化、抗紫外線、阻燃改性等多個領域發揮無可替代的重要作用。鋰電池是新能源汽車的核心部件，其成本幾乎占總成本的一半左右，其正負極電極材料成為製約其性能提高的關鍵因素。除了一些常規活性正極材料以外，二硫化鉬納米片層與石墨烯的結合也在鋰電池正極材料領域展示了突出的性能優勢。這方麵關鍵的阻力來自二硫化鉬納米片層可規模化製備技術的限製。

    而盧紅斌團隊提出了一種新穎、高效的二硫化鉬可規模化製備技術。它允許微米尺寸二硫化鉬在常溫下、1小時內實現高達60%的片層剝離效率，與石墨烯結合後，可在鋰電池正極材料中顯示出比磷酸鐵鋰高出4倍以上充放電容量（700mAh/g），可望與高性能矽碳負極材料（700mAh/g）結合，實現比現有鋰電池高出至少2倍以上的充放電容量和優異的倍率及循環性能。目前，該項技術已經申請中國發明專利，相關中試放大實驗也在進行中。

    “石墨烯是一個新興行業，人們對它的理解還有一個過程。經過多年的探索，我們已經形成了一些重要的基礎理解和新技術。通過與企業進行針對性交流和溝通後，期望能把這些新技術最終形成產品並應用到像汽車、塗料、新能源等領域。”盧紅斌預言，“2015年將成為中國石墨烯產業爆發元年”。

    “從事科研是一件很自然的事情”

    “對科研的興趣，更多是源於我兒時生長環境的影響”。盧紅斌早年生活在航天部的一個研究所，“所的科研氛圍十分濃厚，大家都希望在科研上能做出成績、為國家做點事情，這種氛圍實際上對我世界觀的形成有比較大的影響”。在科研方向的選擇上，盧紅斌認為，這是一個順理成章的事情，“在讀書期間，導師的引領對我們的學習方法和科研模式有直接的影響。對未知領域的好奇心會形成一種強大的驅動力，促使我們不斷學習和探索”。