小小实验台上的“烯”望之路

神奇材料石墨烯只有一层原子厚，由于具有良好的力学、导电、导热和光学特性，在电子信息、航空航天、储能和环保领域有着巨大应用潜力

作为我国石墨烯首批研究者之一，中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员陈成猛经历了石墨烯从实验室到产业化、从制备到应用的蜕变，也见证了中国石墨烯研究和行业的发展。不久前，他获得《麻省理工科技评论》期刊组织评选的第二届中国区“35岁以下科技创新35人”荣誉。

新型炭材料上的“黑金”

石墨烯，是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。2004年，英国两名科学家成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯存在于自然界，铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层石墨烯。科学家曾为剥离出单层结构石墨烯费劲脑汁，最后不得不采用了一种非常“土”的方法，用胶带在石墨上粘一下，把粘在胶带上的石墨层对折再粘一下再拉开，石墨层又变薄，如此反复，终于薄到只有一个碳原子的厚度时，石墨烯就这样诞生。

3月25日，在煤化所炭材料重点实验室里，记者从电子显微镜里看到从实验中制备出来的石墨烯轻薄飘逸，此前只能纸上谈兵的量子效应现在可以通过它来验证。它又韧又柔，电子无视障碍，实现幽灵一般的穿越，是电子产品材料绝佳选择，更令人最感兴趣的是它那许多“极端”的物理性质，造就它成为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，可用于航空航天、军事高精尖领域。它被称为“黑金”，是名副其实的“新材料之王”。

“难以想象，把一块石墨‘切’成一个碳原子厚度的薄片时，它的‘性格’会发生如此之大的变化，它卓越的特性注定要给诸多产业带来翻天覆地的变化。但是我们最关心的还是石墨烯可能会给我们的生活带来什么样的便捷。虽然现在仍有制备上的困难和成本限制等问题，实验室已经有一些优秀研究成果问世，展现了极佳的研发前景。”陈成猛告诉记者。

“海市蜃楼”上打造出技术创新链

我国的石墨烯研究始于2006年，那时，石墨烯还只是材料人眼中的“海市蜃楼”。2007年起，生于1985年的陈成猛在碳素领域前辈王茂章研究员的指导下，以硕士课题为起点开始研究。27岁时，他被煤化所破格提拔为课题组长，组建709课题组（石墨烯与新能源材料研究组），开展石墨烯的基础研究、制备与应用技术开发。“起初，课题组就我和师弟两人，科研经费购置完必要的所需后寥寥无几。”说起当年的窘迫，陈成猛心中想的是无论如何要课题组“活下来”。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，每克粉体价格曾高达3000多元。性能虽强大，但高昂的价格让大多下游用户望而退步，陈成猛选择了石墨烯制备作为主攻方向，深入研究石墨烯表面化学，面向应用进行结构和功能的调控，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，陈成猛和他的团队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。石墨烯是全新的领域，国内外都没有可借鉴的工程化案例，所有的工艺和装备都必须自己摸索，团队与山西晋能集团合作，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，实现了样品到产品的跨越。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。如今，这条生产线已稳定运行四年时间，能批量化、低成本、可控地出产石墨烯，产品品质在国内外居于领先地位。

材料终于做出来，709课题组与山西三维集团合作拉长产品线，他们合力打造新型储能器件中试平台，通过系统集成打通石墨烯技术的创新链。石墨烯表面积开放，这一特性与超级电容的储能原理高度匹配，石墨烯面内的sp2共轭结构使得它具备非常高的电导率。“如果我们想获得高功率的超级电容器的话，必然希望超级电容器的极片内阻尽可能地低，石墨烯就能很好提升，所以我认为这是石墨烯在超级电容应用领域的主要优势。”陈成猛说。709课题组组装出新型的石墨烯增强超级电容单体和模组，仅添加2wt%的石墨烯就可以大幅提升超级电容器的应用性能，功能密度和能量密度平均提升25%-30%，还进一步形成了柔性电子等器件的应用示范。

立足应用让石墨烯影响未来

从两个人的课题组到吨级规模的生产线，十余年的坚守让中国成为石墨烯领域的佼佼者。石墨烯研究是一条既令人兴奋又困难重重的道路，不论是在学术研究上开辟新领域，还是让石墨烯从实验室走向产业化，都没有捷径。一路走来，当年709课题组“两人组”之一孔庆强博士说：“我们遇到的最大的硬骨头是从实验室向产业化技术的过渡，也就是石墨烯中试制备技术开发。石墨烯是新鲜事物，很多工艺和装备细节都是通过反复论证、探索和实践后才能确定，在实验室看似简单的操作，在中试规模实现中经常会大相径庭，存在了太多不确定的因素。克服这些困难的动力来源于煤化所前辈言传身教，从中汲取了精神力量，我们还拥有一个‘科学家+工程师组合’的年轻化团队，踏实勤奋又充满活力，煤化所给予宽松的创新环境和完善的支撑平台让我们受益匪浅。”

历经十余年的磨砺，我国在石墨烯上的研究已位于世界先进水平，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断层，面临着“文章一大片，材料看不到”的窘境。山西煤化所立足材料化学与化工学科基础，依托在炭材料的深厚积淀，面向石墨烯的批量化制备与应用，开展了石墨烯表面化学与宏观组装的共性科学问题研究，探明了内在反应机理，开发了先进技术方法，为实现石墨烯的“料要成材，材要成器，器要能用”奠定了基础。石墨烯产业化发展，产业链上下游互动非常必要，陈成猛认为，石墨烯应用也存在着“木桶效应”，不能只看到材料特性的长板，更应关注那些制约商业化应用的短板。只有立足实际应用，解决好分散和成型等共性技术难题，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与世界。