石墨烯有望破解水泥行业降碳难题

石墨烯被称为“黑金”，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，在能源、生物技术、水资源、电子及网络技术、航天航空、汽车工业、建材等诸多领域展现出广阔应用前景。

国家建筑材料工业技术监督研究中心近日出具的一份检验报告显示，由石墨烯增强后的轻质混凝土抗压强度比普通轻质混凝土高出一倍多。这意味着，通过添加使用石墨烯，可以显著提高混凝土的机械性能。国家建筑材料工业技术情报研究所首席专家、中国散装水泥推广发展协会理事长崔源声表示，未来随着石墨烯在水泥行业规模化应用，建筑所需要的混凝土将大幅减少，也意味着水泥生产产生的碳排放也跟着显著降低。

强度的提升将极大拓展水泥材料的应用空间。“在石墨烯助力下，把水泥做成轻质保温材料有了用武之地。”建筑材料工业技术监督研究中心化学建材研究部主任扈士凯介绍，当前主流的建筑保温材料都是有机泡沫塑料，具有易燃性，容易引发火灾。泡沫混凝土更为安全，也是重点推广的保温材料，但由于普通泡沫混凝土强度不足，限制了替代进度和空间。

“针对强度提升，我们研究了很多年都没有大的突破。”扈士凯说，直到掺入石墨烯后，我们发现泡沫混凝土的强度和保温效果大幅提升，而且泡沫混凝土的寿命可以跟建筑保持一致，不像泡沫塑料25年就需要更换。“这无疑是一种革命性的材料。”

除了保温材料，石墨烯的加入使得结构自防水材料的研发成为可能。“由于普通水泥不防水，房子盖好后都要做专门的防水处理，覆盖各类卷材，不仅增加了成本，效果也不是最理想。”中国被动式集成建筑材料产业联盟副主席乔君慧表示，利用石墨烯将水泥自身的结构孔隙堵住后，混凝土自身就可以达到防水效果，可节省大量成本，防水效果也更好。

值得一提的是，石墨烯与水泥产业结合后，还有一个神奇的功效就是减碳。可能很多人不知道，水泥行业是二氧化碳主要排放来源之一，其碳排放占全球人为二氧化碳排放总量的7.5%，我国水泥行业碳排放占比更是高达13.75%。在“双碳”背景下，水泥行业碳减排已成必然趋势。

“通过使用混有石墨烯的混凝土，可以大幅减少二氧化碳排放量。”崔源声说，一方面，混凝土中添加少量石墨烯可显著提高其强度，这意味着同一建筑的水泥使用量会大幅下降；另一方面，石墨烯可大幅提升水泥的寿命，进而减少同一生命周期内水泥的使用量。“通过减少水泥使用量这种方式，可间接达到行业降碳的目的。”

虽然石墨烯的前景有目共睹，但是制备出高品质的石墨烯并不容易。自2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家发现以来，尽管各国和相关机构投入大量的资金和人力，但石墨烯这种材料仍未进入大规模量产当中，主要因为石墨烯非常难剥离，通过机械剥离和化学气相沉积等方法出产的石墨烯无法量产，而且制备成本高昂。

高昂的制备成本成为限制石墨烯大规模推广应用的核心因素之一。崔源声透露，“大众建材产品基本用不起石墨烯，因为建筑材料通常都比较便宜。”

随着制备工艺不断突破，石墨烯成本正快速下探。2022年8月，北京旭华时代科技有限公司在业界首次实现曲面石墨烯量产下线。据介绍，曲面石墨烯的制备是旭华科技利用高科技手段，研制出的一种可在碳分子层面上进行操纵，合成不同形态结构体的拥有自主知识产权的新型工艺方法。该工艺制备的石墨烯液体具有产量高、成本低、纯度高等特点，尤其是解决了石墨烯不添加任何外来表活剂，微观粒子受范德华力的作用粒子相互团聚这一世界难题。目前，曲面石墨烯在电池储能、水泥降碳，污水处理、沙漠化治理，盐碱地改良、植物光合作用增长及生命科学等方面都有良好的性能表现。

“以目前石墨烯量产后的价格，已经具备了在高档水泥产品中应用的条件。如果石墨烯价格能够大幅下降到每吨万元以内，凭借其优越性能，有望在建材行业大规模推广。”崔源声说。