有关石墨及石墨烯的一点意见——访中国工程院院士薛群基

《新材料产业”十二五”发展规划》将石墨列入”新型无机非金属材料”重点任务,请您介绍一下石墨产业的发展现状和广阔前景。

本刊记者:《新材料产业“十二五”发展规划》将石墨列入“新型无机非金属材料”重点任务,请您介绍一下石墨产业的发展现状和广阔前景。

薛群基:石墨是我国优势资源之一,全世界的石墨储量约为8000 多万吨(基础储量约为15 亿吨),我国的石墨矿储量约占70%。我国的石墨在世界上储量第一、产量第一、销量第一,品种也比较全。石墨及石墨制品是我国无机非金属材料的重要品种。

我国有十九个省区有石墨资源和产业。但是我国的石墨产业在国际上处于低端,出口仍以原料和低端产品为主,发达国家以低价购进我国的石墨,经过高技术加工之后,再以高于石墨原料价格数十倍,甚至百倍的价格卖回中国,形成了巨大的反差。例如,我们出口1 吨山东的鳞片石墨, 价格只有5000 元/ 吨,而进口1 吨氟化石墨价格就达30 万元/ 吨~ 100 万元/ 吨。

我国大部分石墨矿的开采和选矿存在规模小、设备落后、环境污染严重等问题。部分矿区还存在乱采滥挖、浪费资源的情况。加工企业存在技术工艺落后、设备少且不足、一些重要的加工设备(如大尺寸的模具,大型等静压设备、粉体设备等)缺乏、投入的技术力量严重不足等问题,这些状况近年已有一定改善,但仍有很大差距。

石墨是碳基材料中历史最为悠久的成员,它独特的三维六方晶系结构和晶格内的电子排布,赋予了它很高的化学稳定性、耐高温特性、良好的导电性、优秀的润滑特性以及抗中子辐射特性。因此,石墨及其制品在工业和高技术中被广泛地应用,它们在信息和半导体、光伏和光热太阳能,动力锂离子电池,电力、电化学加工及高端模具加工中发挥着不可替代的作用。所以,国家在《新材料产业“十二五”发展规划》中将石墨列入“新型无机非金属材料”重点任务。

本刊记者:去年11月工信部发布《石墨行业准入条件》,这对遏制石墨产业低端无序开发有哪些作用?

薛群基:发展石墨产业,应该严格执行工信部《石墨行业准入条件》,做到有法必依,违法必究,只有这样,才能既保证产业有序发展,又有利于生态环境保护和资源节约、有效利用,防止石墨产业再走稀土产业的老路。同时,应坚决淘汰落后产能,落后工艺及低水平产品,采用先进工艺技术和设备,提高产品的附加值和技术含量。

在产业发展升级的过程中,发挥创新驱动的作用是第一位的。一是体制创新,充分发挥国企的主导作用和民营企业的活力,形成先进的石墨产业链,同时发挥产业链或产业协会的作用,整合已有的石墨企业,避免小而散的落后状态。在国内形成几个在国际上有竞争力的石墨产业集团。同时要特别注意发挥科技创新的驱动作用,研发、使用先进的石墨选矿、加工工艺及装备,使石墨产业达到高效、节能、环保和充分利用并节约资源的高水平。在大型石墨制件、精细化产品、超细粉体和其他低维石墨材料的制备工艺和产品上形成突破。特别是针对我国的新核能装置用石墨材料,节能和环保效果显著的新型高效锂电材料、新型碳—石墨储能材料和装置,半导体和信息技术需要的碳—石墨器件,新型高效润滑添加剂及其他高技术应用领域需要的高附加值石墨产品。当前,应特别关注高质量石墨烯、氟化石墨烯、氧化石墨烯的合格产品和稳定工艺的研发,大力开展它们的应用研究。

本刊记者:石墨烯是目前新材料领域的热门研究方向,我国石墨烯相关论文数已位居世界前列,但存在基础研究和产业实际需求脱节的问题,您认为应如何打通创新链与产业链的隔阂,促进产业健康发展?

薛群基:碳是一种神奇的元素,在元素周期表中,它的同素异构体最多,包括零维的C60 和无定型碳,一维的碳纳米管,三维的石墨,四面体结构的金刚石,以及最近出现的二维石墨烯。它们的成分相同,都是由碳原子组成,但结构不同,因而表现出性质上的巨大差异。这些差异决定了他们不同的应用领域。

自从2004 年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次从石墨剥离出石墨烯并因此获得了2010 年诺贝尔物理学奖之后,石墨烯的研究形成了一场热潮。石墨烯的结构和独特的物理特性引起了物理学、材料学、化学、生物医学、信息科学和环境科学技术等各领域的关注、研究和讨论。讨论的内容包括:石墨烯的确切定义是什么?多少层是石墨烯?多少层是石墨片?如何实现石墨烯类材料本身结构- 性能的调控?不同工艺制备的石墨烯的结构和性能有哪些区别?针对不同需求条件,如何调控石墨烯的结构组装和排列?如何对其进行组分修饰?此外,制备量产石墨烯的工艺研究也热火朝天。石墨烯究竟能做什么用?石墨烯最先能够应用的领域是什么?它在应用上可能的性价比如何?

几年来,国内外在石墨烯研究领域发表了数量众多的论文,同时也形成了不少专利。这些工作无疑对促进石墨烯的研究起了重要的作用。但是现阶段的研究工作仍处于实验室探索阶段,离形成深入系统的认识和可应用的成果还有相当距离,且内容十分分散。人们试图发现各种可能的应用,但是,石墨烯也不是一种万能材料。从已有的研究工作发现,石墨烯有可能优先获得应用的领域不少:在锂离子电池和超级电容器中作为电极材料;导电添加剂和修饰剂;在柔性显示器和取代硅的纳电子器件方面的应用前景;在功能复合材料领域,诸如导电、导热、吸波、磁性,超导、涂料和催化方面都有可能发挥作用;石墨烯理论上力学性能优异,其纤维复合材料可能形成重要应用。当然,在环境治理和水处理方面,石墨烯也是被看好的材料之一。2013 年,石墨烯入选欧盟“未来新兴旗舰项目之一”,获10 亿欧元研发资助。

本刊记者:怎样才能缩短研发过程,加快石墨烯产品在工业技术中的应用?

薛群基:说起来,也没有什么与众不同的特殊窍门。

我认为, 首先是把石墨烯( 及类似产品)的基础研究做扎实,弄清楚。包括石墨烯的确切定义,不管是多层、少层、单层或者类石墨烯,或者石墨烯衍生物,每一种石墨烯材料的结构和其电子学性能、物理、化学、力学及生物学性能有什么相同或不同之处,都需要弄清楚。同时,它们所形成材料的结构设计、组装形式、组分掺杂、修饰改性、表面与界面特征,以及外界环境、外场因素对其结构与性能的影响和要求,也需要研究透彻。当我们对一件事物的认识还处于朦胧或模糊状态时,很难对它的特性和应用优势作出中肯的判断。在材料研究,包括碳材料研究过程当中,已经形成的经验和教训值得借鉴。

第二是加强石墨烯类材料工程化的研究,工程化是实验室研究向产业化转化的关键,每一种石墨烯材料的制备工艺条件要固化,结构要明晰,性能要稳定。针对应用条件和要求开展模拟和试验,最终实现产业化。尽快使石墨烯材料达到“料要成材、材要成器、器要好用”。

第三是对不同类型的石墨烯材料可能的应用领域进行认真评估、科学立项。这是成果应用的迫切要求。研究单位和企业要紧密结合应用需求,开发材料的制备工艺和复合技术,包括成本的降低、结构和性能的改进,在此基础上,强化应用研发。当前石墨烯的研发和应用有点令人眼花缭乱,不太符合科学规律和市场规律,需要加强引导,不要一哄而上,要适当集中,从不同层面上科学立项,在应用研究方面要发挥市场的调节作用。集中力量,合作攻关。

第四是有关部门要加强规划和引导,有选择地加大支持力度,鼓励企业技术创新,鼓励并落实产学研相结合,形成多学科协同攻关创新的局面,加快石墨烯产业化的进度。总之,任何一项应用背景很强的研究,既需要沉淀和积累,更需要抓紧向产业化的转化。石墨烯作为近年来出现的热门材料,我们应该理性对待,既不要过分炒作其作用,也应宽容对待其发展。石墨烯真正见效需要时间、投入和工作。

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