邱介山：以碳“治”碳、大有可为

4 月间，疫情虽扩散，桃花仍绽放。碳材料的研究没有止步，产学研的合作也没有搁浅。碳材料的发展将迎难而上，跨上新的台阶。

聚焦“碳”前沿科技，呈现“碳”行业动态。本期《Carbontech Magazine》特别邀请到北京化工大学邱介山教授从学术和产业角度出发，分析碳材料在碳达峰碳中和过程中的关键技术问题和应用前景。本文根据邱介山教授的专访内容整理编辑。

邱介山
北京化工大学教授
国家杰出青年基金获得者、全国百篇优秀博士论文指导教师

北京化工大学教授、博士生导师、国家杰出青年基金获得者、教育部领军人才、国务院政府津贴专家、国家“有突出贡献中青年专家”及国家“百千万人才工程”人选、全国化工优秀科技工作者、全国百篇优秀博士论文指导教师。2018-2021 年连续 4 年入选科睿唯安全球高被引科学家榜单；2019-2020 年连续入选 Elsevier 中国高被引学者榜单（化学工程学科）；2019 年入选英国皇家化学会 Top1% 高被引中国作者榜单（能源与可持续类）；入选全球顶尖前 10 万科学家榜单 ( 全球排名1596 位，2022-04)。

碳纳米材料的科学研究及产业发展，中国处于国际引领地位

江山代有才人出，一代新颜换旧颜。碳是孕育五彩斑斓的物质世界与万千生命的关键元素，整个人类的发展经纬始终与发现碳点 ( 碳量子点 )、制造碳、利用碳的历史并行。自 1985 年发现富勒烯至今，碳纳米管、石墨烯、石墨炔等“明星”纳米碳材料依次登场，短短30 余年间，已从实验室逐渐走进人们的生活。在某种程度上说，21世纪就是一个碳的时代，纳米碳材料的战略意义日益凸显。以石墨烯为例，我国相关企业已超过上千家，并在常州、无锡、青岛、深圳等地形成产业集聚区，成为世界石墨烯产业化发展的中心之一，在复合材料、导电导热涂层、超级电容器、锂离子电池等行业的规模化应用引领世界，在北京冬奥会赛场上，中国自主研发的新型石墨烯加热材料更“温暖亮相”，为冬奥护航。在石墨烯科学领域，刘忠范院士、成会明院士、张锦院士等领导的学术团队做出了很多意义重大的工作。在 CVD 石墨烯薄膜等多个技术领域，刘忠范院士是国际上的领头羊，领导创建的北京石墨烯研究院 (BGI)，瞄准石墨烯产业，致力于打造核心竞争力，是引领全球的石墨烯材料及其制造装备、原创性的石墨烯应用产品与核心技术、定制化的技术研发服务和理想的创新创业平台。2010 年，中国科学家李玉良院士的团队创制了一种全新的全碳二维平面结构材料—石墨炔，这是一种由 sp 和 sp2 杂化形成的碳的新型同素异形体，是由 1,3- 二炔键将苯环共轭连接形成的二维单原子层平面构型的全碳分子。石墨炔具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、多孔、优良的化学性能、热稳定性、半导体性能及力学、催化和磁学等性能。石墨炔的创制，使碳材料家族又诞生了一个新成员，开辟了人工化学合成新碳素异形体的先例。以李玉良院士为代表的中国科学家的这一杰出的原创工作，在碳材料科学领域写下了浓墨重彩的一笔。比石墨烯发现更早的碳纳米管，2020 年我国出货量已占全球的 54%，而富勒烯等纳米碳材料在癌症治疗、抗衰老等领域的应用在世界范围内也独具特色。目前，中国在碳纳米材料的基础研究与产业化发展领域均处于世界前列。

煤基碳材料：磨剑 30 余年、稻草变黄金

长期以来，煤炭一直是我国最重要的一次能源。在“双碳”发展战略背景下，煤炭的清洁利用技术之发展对于我国经济社会可持续和谐快速发展具有重要的战略意义，煤炭的资源化高附加值精细化利用之重要性更加凸显。自 1987 年师从郭树才先生开始煤基碳分子筛的研究以来，邱介山教授沉浸煤基碳材料研究已有 35 年，提出了“煤化工精细化”的发展理念和“多维碳材料工程”的概念，凝心致力开发“化学剪刀”方法学，实现煤炭分子结构向功能碳材料的可控转变，成功开发了煤基吸附碳材料、煤基储能碳材料等一系列在能源、环境、催化、分离等领域有广泛应用的新结构、高性能、低成本煤基功能碳材料。邱介山教授指出：“煤炭的化学组成与结构高度复杂，不同地区的煤，其变质程度也往往差异巨大，目前还没有通用的工艺方法可以实现不同的煤炭向功能碳材料的定向转化”。

“煤炭可被看作是一类天然的高分子材料，成型过程极其漫长，结构非常复杂。形成煤的反应时间和温度，以及地壳下的矿物质等都对煤的结构有影响。截至目前，没有一种工艺能将所有种类的煤都转化成所期望的功能材料。为此，我们需要在煤基碳材料的基础研究方面投入更多的精力，利用先进技术手段将煤可控转化为功能性高附加值材料。这并不是说一定要将煤全部转化成富勒烯、碳纳米管和石墨烯等，而是期望找到合适的科学技术手段，例如分子剪裁技术等，有效调控煤炭及其衍生物的化学结构与性质。”基于分子裁剪理论，邱介山团队实现了对不同变质程度的煤炭和煤衍生前驱体的分子结构、化学组成和活性的调变，成功制备出尺度、功能各异的功能碳材料，建立了调控煤基碳材料的电子态密度、微晶尺寸、孔隙结构、电化学性能等参数和性能的技术方法。这一前瞻性学术思想的本质就是“将固态的煤制成固态的碳”，符合双碳战略。研究建立低能耗的简单工艺过程，实现煤炭“稻草变黄金”的高附加值利用，是邱介山教授一直孜孜不倦追求的目标。迄今，邱介山团队在煤基碳材料方面的论文数位居全球第一，近期致力于推进中间相沥青碳纤维、碳基储能材料的产业化。邱教授总结道，无论是在学术还是产业方面，都有值得我们付出毕生精力和心血去追求、探索与研究的工作，同时还希望，在发现新现象、建立新原理和新方法、创造新材料的过程当中，培养出一批高素质的学生。

以石墨烯为代表的碳纳米材料，需去伪存真，才可行稳致远

人类社会的发展跟材料是密不可分的，新材料的出现在很大程度上推动了人类社会进步。邱教授说：“在石墨烯领域，国内可能有上千家公司。”石墨烯材料需要去伪存真，真正把材料的本征构效关系和调控策略，从基本原理到工艺过程都努力搞清楚，才可以让石墨烯的行业行稳致远。石墨烯具有芳香性，基于 sp2 杂化的基本结构单元，它可以构建各种复合材料，应用于不同领域。例如在北京冬奥会的赛场上，石墨烯“温暖亮相”，向全世界展示中国自主研发的新型加热材料，也让身处冰雪赛场的人们多了一重温度保障、不畏严寒。碳纤维从微观角度看是卷曲的，石墨烯单元构筑而成。所以从这个角度来说，以石墨烯为代表的碳纳米材料可以应用环境、能源、人类生活的衣食住行等方方面面。中国科学家另外一个代表性的工作，王春儒研究员致力研究的富勒烯材料已用于癌症治疗，健康护肤等领域。再过十年、二十年大浪淘沙，我坚信碳纳米材料将为我们的生产和生活带来独特的新功能新世界。”

储能器件的发展未来具有很大的空间

众所周知，铅酸电池是最早发展和应用的储能器件之一。但铅酸电池本身能量密度低、功率密度差、运行里程短、环境污染严重，人们一直在努力研发能够快速替代传统铅酸电池的新型电池技术，达到环境友好的需求，同时提高续航里程、能量密度、功率密度等。因此出现了锂离子电池、超级电容器、钠离子电池、钾离子电池、固态电池等新型储能电池。从上世纪 90 年代初开始，锂离子电池实现产业化，发展到现在已经非常普及，锂电池在能量密度、循环使用寿命、生产成本和安全性等方面依然存在诸多挑战。新结构高性能电极材料的设计构筑，是全方位提升电池性能的关键。通过提高电解液的安全性来加强电池的安全性能，也可以提升锂电池的性能。同时发展其他电化学储能技术也迫在眉睫。例如超级电容器，作为新型储能装置具有适应环境能力强、温度特性好、使用寿命长和可快速充电等诸多优点。

离子电池由正极、负极、电解液和隔膜组成。材料铸就器件，器件成就应用。储能器件的未来发展很好，市场需求强劲。归根结底，新结构高性能材料的创制，是改进提升储能器件性能的基础和根本。邱教授说，“我们团队现在致力于推进煤基功能碳材料在超级电容器和钠离子电池的基础研究和产业化应用。材料的低成本可控制备及性能的进一步提升，依然具有巨大的研究空间及很大的挑战，需要研究人员究根探底，脚踏实地，才能将储能电池产业的未来路走得更宽、更平。”

电化学储能技术的发展，基础要扎实

储能技术未来的发展需要高度重视电化学储能，必须需依赖扎实的学识和技术积累。强大的基础科学研究是中国建设世界科技强国的基石，加大基础科学和前沿技术的研究力度，大幅提升原始创新能力，关系我们中国能否实现高水平的科技自立自强，能否把关键核心技术牢牢掌握在自己手中。同时，基础研究更需要开创性思维和丰富的创造力，年轻科学家更容易突破旧思想的束缚，做出革命性和开创性的成果。另一方面，基础科学和前沿技术的探索，是一个从 0 到 1 的过程，不仅要靠智力，更要靠专注和勤奋。

绿色能源的发展：碳材料前景广阔、不可或缺

2021 年 12 月，中央经济工作会议提出正确认识和把握“碳达峰、碳中和”战略，并明确“要立足以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用、增加新能源消纳能力，推动煤炭和新能源优化组合”。储能技术是调节和增加新能源消纳能力的关键技术之一，是我国新能源发展战略的重中之重。碳材料以炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯、活性炭、碳纤维等多种形式广泛应用于电化学储能器件中，是发展储能技术必不可缺的关键功能材料之一。其中以碳纳米管和石墨烯为代表的新型材料，具有优异的导电性、高比表面积等特点，在电化学储能领域表现出巨大的潜力。国家“十四五”能源体系规划也提出要通过大力发展可再生能源，到 2025 年非化石能源消费比重提高到 20%，非化石能源发电量比重达到 39%。利用非化石能源产生的清洁电力发展低碳氢能经济，是实现双碳目标的一个重要方向。功能碳材料在电解水制氢、燃料电池等氢能源上下游领域都具有重要应用，是从器件制造到代替贵金属的廉价催化剂合成不可或缺的核心材料之一。目前，我国纳米碳材料在能源领域的应用还受制于较高的成本。煤炭、可再生生物质等廉价天然材料在大规模、低成本功能碳材料制造方面有得天独厚的优势。

碳材料是一种有商业应用前景的电催化剂载体，杂原子掺杂是调控其结构与性能的重要策略之一。在燃料电池领域，不管是质子交换膜燃料电池还是直接醇燃料电池等，都离不开碳材料。

导电性良好、结构稳定的碳素材料是设计构筑高性能催化剂的重要基体材料。碳载体与金属碳化物的强相互作用往往是影响高催化活性的关键。例如，碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、多孔碳等，是金属电催化剂的良好载体。可以改善纳米尺寸的分散性、避免结块或烧结、降低活性位之间的电阻、促进物质扩散、界面相互作用、优化活性位的电子性质等。自发现富勒烯至今，纳米碳材料的研究不过短短三十余年，在基础科学问题与产业化方面仍有很多从 0 到 1 的问题需要解决，我辈其任重，其道亦远，尚需不懈努力。

科研成果产业化，需要有高度、有深度、有保障的平台

古人所谓“立言、立功、立德”三不朽，研究成果“上书架、上货架”是所有科技工作者强国富民、实现人生价值的目标与情怀。尽管目前国内学术界与产业界之间的合作日趋密切，合作模式也愈加丰富，但需要建立有高度、有深度、有保障的互惠协作创新平台，实现学术界（特别是高校）与政府、产业界、法律界、金融界等多个行业的互通有无、无缝对接与互利合作，同时降低科研成果产业化过程中的政策、技术、金融与法律风险，确保科研成果产业化的稳定有序与高效率推进。然而目前，推进研究成果的产业化，是一个非常艰难的过程，国内现在依然没有建立起一个普适性的平台，可以让所有从事基础研究的教授跟产业界有密切的合作。邱教授认为，从科研的角度来说，就是大家要有一个共同的目标，形成团队意识，在不同的阶段，参与人的利益要有所保障，才能更好更快地推进研究成果的产业化和实用化。

培养一批优秀的学生是教师的基本要求和成就之一

“作为一名大学教授，看到一批批学生在各行各业中取得出色成绩，为国家的富强和快速发展在不同的岗位上建功立业，是让人非常开心的一件事，内心有满满的幸福感”，邱介山教授欣慰地说。“对一名老师而言，无论发表多少论文，做了多少科研项目，还是推进并实现技术的产业化应用，这些都仅仅是我日常工作的一个方面。真正的快乐和成就感，来自我指导培养的学生们，看到他们能够在社会上成为精英、充分发挥出他们自己的才干，倍感欣慰。”

邱介山教授希望自己的学生都能对社会、对科学事业有所贡献。“我真诚地希望每个学生都能成为社会精英和栋梁之才。比方说，一栋功能齐全的建筑，要有强有力的基石和支柱，辅以其他部分，才能坚固持久耐用。我希望自己的学生都能成为类似建筑物中不可或缺的支撑部分，成为社会进步中有担当有作为的一员。希望他们任何时候都不轻言放弃，要自己努力成为社会对受过高等教育的人所期望的那个角色。”

国之所需、吾志所向；支撑引领行业发展是研究的出发点

国家的资源是有限的，如何利用有限的资源做最大贡献是我们需要考虑的。邱教授说，我个人觉得，国家和行业的需求在哪里？研究突破就得从哪里开始。本质和建设高楼大厦一样，都是一砖一瓦，从打地基开始。针对某一需求或者某一个材料、某一个技术，去认真梳理其瓶颈性的问题在哪里，从原料开始、从反应过程开始、从设备和工艺过程开始，反复梳理其中的关键问题。之后，锲而不舍地有针对性地解决这些问题。