泉果无限对话 | 石墨烯院士：基于“碳”的量子时代

电影《阿凡达》中，构筑了一个虚构的星球——潘多拉。人类舰队费尽心思跨越数个光年来到潘多拉，就为得到一种罕见的资源——Unobtanium元素。

Unobtanium的字面意思翻译成中文就叫——“难得素”。在航空领域，人们用“难得素”形容性能完美的材料——轻如空气，且硬如钢铁。

石墨烯就像是现实中属性最接近人类梦想的“难得素”的物质：它有难得一见的完美，也有难以驯服的桀骜。

吴明红院士曾经用这样一个比喻来描述石墨烯在经济发展中的作用——如果以材料来界定人类文明，那么人类历史可以依次分为石器时代、铜器时代、铁器时代……如今的信息时代则是硅材料时代……

那么下一个时代是什么？

国内外大量顶尖科学家的预测指向同一个方向——基于碳的量子时代，碳材料尤其是石墨烯，走在了新变革材料的最前端。

图1. 电影《阿凡达》中的Unobtanium（难得素）

来源：网络

2022年10月下旬，中国工程院院士、上海大学副校长吴明红教授到访泉果基金，为大家带来了一场关于石墨烯最新研究成果和应用的内部分享。当时恰逢二十大胜利闭幕，作为双碳和绿色环保生态领域的著名专家，吴院士特别协调出整个下午的时间来参与泉果无限对话。她说“泉果有很多年轻的精英”，和年轻人进行分享，让她觉得非常有意义。

吴明红教授是中国工程院院士、俄罗斯工程院外籍院士、俄罗斯自然科学院外籍院士，长期从事多介质环境协同保护与综合治理及其相关学科的教学与科研工作。

2017年，她的研究团队完成的论文被《自然》（Nature）杂志发表。在这篇名为《通过离子控制石墨烯氧化膜层间距实现离子筛分》的论文中，他们在国际上首次提出，可以通过溶液中的离子精确控制石墨烯氧化膜的层间距，控制精度达到十分之一纳米。

图2. 代表性成果登上《Nature》杂志

来源：吴明红院士泉果基金内部分享资料

在泉果无限对话现场，吴院士分享了她的核心科研方向——环境功能材料研发，为了让大家直观体会石墨烯的优越性能，吴院士举了一个生动的例子：1克石墨烯材料的比表面积相当于一个足球场，厚度却只有头发丝的30万分之一，因而能集轻薄、坚固、透光、导电、强吸附等等众多优势于一身。

但是石墨烯要真正实现其理论价值，产业的技术壁垒在于精准控制并规模化生产出单分子功能的石墨烯材料，这也是她的团队研发的关键突破点，而这类单层石墨烯材料在减污降碳方面的功效就像“吸不满水的海绵”一样无限制可持续。

以下为吴明红院士演讲实录精选：

01
石墨烯：
“黑金”与新材料之王

石墨烯（Graphene）的命名来自Graphite（石墨）和-ene（烯类结尾）的结合。

石墨是由一层层按蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而成的。石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。如果我们把石墨片剥离到只有一个碳原子厚度的单层，就成为了石墨烯。

图3. 石墨矿石与石墨结构图

来源：吴明红院士泉果基金内部分享资料

其他材料可能具有一种或者两种特性，但石墨烯集众多优势于一身。独特的二维结构使得石墨烯具有优异的光学、电学和力学特性，是人类目前已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料，被称为“黑金”材料，在新能源、电子信息、生物医疗、复合材料和传感器等领域都有十分重要的应用前景。

02
石墨烯：
胶带撕出来的诺贝尔

石墨烯材料的发展经历了一个漫长的过程。石墨烯本来就存在于天然石墨中，但难以剥离出单层结构，直到2000年，国际上很多相关研究还认为制备石墨烯材料是不可能的。

直到2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫做了一个探索性的实验——通过“撕胶带”的方式获得了单层石墨结构，使用胶带用纯石墨剥离石墨烯层，直到只剩下单层石墨烯，证实了可以获得单层石墨烯，盖姆和诺沃肖洛夫共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

图4. 安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫

来源：网络

03
减污降碳：
石墨烯材料像“吸不饱的海绵”

尤其在吸附材料领域，石墨烯以及石墨烯的复合材料有着三点极强的优越性：高效的吸附能力、高选择性的吸附能力，而且无限制可持续像“吸不饱的海绵”。

01
强吸附能力

从高吸附来说，其实有各种活性炭也能实现吸附，但无论活性炭的尺度做到多大，基本上是在微米级。而石墨烯如果做到单量级别或者单层的话，只有0.33纳米。担心大家对它有多小没有概念，所以我举了一个很形象的例子：0.33纳米就是头发丝直径的1/30万，小到了理论值的极限。

颗粒无穷小会带来什么效果？

对污染物的吸附都是看比表面积，如果颗粒无穷小，它的比表面积就无穷大。举一个比较极致的例子，我们的环境功能材料，1克高吸附材料平铺开的话，它的比表面积相当一个足球场，远高于活性炭的吸附性能。

*比表面积：是指多孔固体物质单位质量所具有的表面积。由于固体物质外表面积相对内表面积而言很小，基本可以忽略不计，此表面积通常指内表面积。常用单位为 m²╱g。比表面积直观的表明了吸附功能的大小。

02
高效选择性吸附

这一点至关重要，因为不同污染物对环境和人体的损害程度不一样，要求的治理指标也不同。比如，一些持久性有机污染物或高毒性污染物，苯系物、苯环、芳香环等，都是毒性很高的污染物，会致癌、致畸、导致基因突变等。生活中我们听到过最多的污染物是甲醛，但其实甲醛的毒性远远小于苯系物，所以这些污染物的排放指标体系特别严格。

高效的功能性材料，在具有高效吸附的同时，还可以针对苯系物，即高危害的污染物，有一个高效的选择性，也就是说，对苯系物特别灵敏，要么百分百吸取，要么是在绝对的安全范畴里。这就是这种材料颠覆性的优势。

而且石墨烯复合材料尺寸非常小，如果作为治理材料用于室内墙体，是完全不会影响外观的，再加上针对苯系物的高选择性吸附，可以广泛应用于室内污染治理中。

03
无限制可持续

吸附材料对污染物的吸附会不会“吸饱了”，达到极限，反而又释放出来呢？不会的。因为单量子级别的石墨烯可以催化和分解污染物。

石墨烯是二维碳原子材料，所以污染物在穿透它时，会产生“量子尺寸效应（The Quantum Size Effect）”。量子尺寸效应是指，一般情况下，碳材料是0带隙的，而当碳材料达到量子尺寸的时候，带隙就被打开，这时在可见光的作用下，材料就具备了自发的催化降解作用。

只要有污染物触碰到石墨烯吸附材料，皮秒级的时间就会被它催化、分解，是一个“吃不饱”污染物的功能材料。如果把污染物想成是水，单层石墨烯想象成海绵，水吸上来的瞬间海绵就干了，它就是一块永远吸不满水的海绵。

*皮秒：1皮秒等于一万亿分之一秒。

因此现阶段，要实现石墨烯的规模化使用，确实成本比普通的碳材料高出不少。但相比于其他碳材料，石墨烯是“一劳永逸”的“吸水海绵 ”，实用性非常强。

04
技术突破：
量产单分子石墨烯材料

石墨烯要想真正实现上面提到的理论值，就要能精准可控到它的单量子点和单层石墨烯的研制。

现在的石墨烯产业，少层的石墨烯还是有蛮多企业能做到的，但是真正获得单层的技术还是非常新的，技术含金量很高。

这是一些工艺上的技术方法，通过全新的化学裁剪技术，实现对苯系物高效的选择和吸附。

从原理上来讲，石墨烯是一个个苯环相连，像是一个很强的网，而且这个网是大π键结构，吸力很强，一和高致癌物的苯胺和杂环相连，它的大π键就对苯环形成了类似高强磁场的吸附，紧紧抓牢。

尤其是它对可见光的响应是非常尖、窄的。我刚才讲了一个室内环境污染治理，是需要可见光的。在医学领域方面应用，它就需要单色光。

比如量子点很小，石墨烯量子点功能材料可以识别细胞，穿到癌变细胞里面，然后显示亮光，告知人体里哪个细胞出了问题。这种在医学上都有很广泛的应用。其实任何一个健康的人，都会有很多细胞有问题，但细胞有问题这件事，其实不要紧，到了一个组织有问题才会开始病变或者扩散到器官才会出问题。标记到细胞级别，从原理上来说，是非常简单的。

当今的环境功能材料，已在室内环境污染治理中应用，其实也可以高效应用在工业、企业中。比如控制VOCs（Volatile Organic Compounds，挥发性有机物）的排放，能够集中的通过技术改造，把环境功能材料在制备、装备上进行更新替代，实现非常好的指标。

具体机理就是石墨烯和芬芳物的强π-π作用，实现了高效选择。

同时，由于它的高吸附性和耐高温复合作用，能够研制出氧化石墨烯复合材料。将这些材料应用在工业园治理排放过程中，能够使一些高碳排放的企业，做到近零排放。这些技术和工艺，我们也都已经实现产业化、工程化。

简单地说，1克氧化石墨烯材料的比表面积比一个足球场都要大，同时它的催化温度很低，在比较低的温度下就能实现；并且它的传输速度非常快，选择性高、高效催化、苯系物去除效率高、经济成本适中等。为各大企业的减污降碳，提供了强有力的技术支撑。

研发高效的环境功能材料，应用于一些重大的行业和企业，能保证在正常工业生产的同时，实现减污降碳，达到零排放，还能实现大幅度节能等功效。

吴明红

上海大学副校长，中国工程院院士、俄罗斯工程院外籍院士、俄罗斯自然科学院外籍院士。长期从事污染物控制基础理论与工程应用研究，在碳基复合材料研发应用于环境综合治理、新能源开发等领域取得了一系列创新性成果。先后在Nature、Nature Chemistry、Nature Materials、Advanced Materials等学术期刊上发表论文300多篇，获得国家发明专利60多项，斩获国家自然科学二等奖2项、省部级科技奖一等奖3项、中国工程院光华工程奖等。