鑽石舞台

4 月間，疫情雖擴散，桃花仍綻放。碳材料的研究沒有止步，產學研的合作也沒有擱淺。碳材料的發展將迎難而上，跨上新的台階。

聚 焦「 碳 」 前 沿 科 技， 呈 現「 碳 」 行 業 動 態。本 期。《Carbontech Magazine》特別邀請到北京化工大學邱介山教授從學術和產業角度出發，分析碳材料在碳達峰碳中和過程中的關鍵技術問題和應用前景。本文根據邱介山教授的專訪內容整理編輯。

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江山代有才人出，一代新顏換舊顏。碳是孕育五彩斑斕的物質世界與萬千生命的關鍵元素，整個人類的發展經緯始終與發現碳點 ( 碳量子點 )、製造碳、利用碳的歷史並行。自 1985 年發現富勒烯至今，碳納米管、石墨烯、石墨炔等「明星」納米碳材料依次登場，短短30 餘年間，已從實驗室逐漸走進人們的生活。在某種程度上說，21世紀就是一個碳的時代，納米碳材料的戰略意義日益凸顯。以石墨烯為例，我國相關企業已超過上千家，並在常州、無錫、青島、深圳等地形成產業集聚區，成為世界石墨烯產業化發展的中心之一，在複合材料、導電導熱塗層、超級電容器、鋰離子電池等行業的規模化應用引領世界，在北京冬奧會賽場上，中國自主研發的新型石墨烯加熱材料更「溫暖亮相」，為冬奧護航。在石墨烯科學領域，劉忠范院士、成會明院士、張錦院士等領導的學術團隊做出了很多意義重大的工作。在 CVD 石墨烯薄膜等多個技術領域，劉忠范院士是國際上的領頭羊，領導創建的北京石墨烯研究院 (BGI)，瞄準石墨烯產業，致力於打造核心競爭力，是引領全球的石墨烯材料及其製造裝備、原創性的石墨烯應用產品與核心技術、定製化的技術研發服務和理想的創新創業平台。2010 年，中國科學家李玉良院士的團隊創製了一種全新的全碳二維平面結構材料—石墨炔，這是一種由 sp 和 sp2 雜化形成的碳的新型同素異形體，是由 1,3- 二炔鍵將苯環共軛連接形成的二維單原子層平面構型的全碳分子。石墨炔具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、多孔、優良的化學性能、熱穩定性、半導體性能及力學、催化和磁學等性能。石墨炔的創製，使碳材料家族又誕生了一個新成員，開闢了人工化學合成新碳素異形體的先例。以李玉良院士為代表的中國科學家的這一傑出的原創工作，在碳材料科學領域寫下了濃墨重彩的一筆。比石墨烯發現更早的碳納米管，2020 年我國出貨量已占全球的 54%，而富勒烯等納米碳材料在癌症治療、抗衰老等領域的應用在世界範圍內也獨具特色。目前，中國在碳納米材料的基礎研究與產業化發展領域均處於世界前列。

長期以來，煤炭一直是我國最重要的一次能源。在「雙碳」發展戰略背景下，煤炭的清潔利用技術之發展對於我國經濟社會可持續和諧快速發展具有重要的戰略意義，煤炭的資源化高附加值精細化利用之重要性更加凸顯。自 1987 年師從郭樹才先生開始煤基碳分子篩的研究以來，邱介山教授沉浸煤基碳材料研究已有 35 年，提出了「煤化工精細化」的發展理念和「多維碳材料工程」的概念，凝心致力開發「化學剪刀」方法學，實現煤炭分子結構向功能碳材料的可控轉變，成功開發了煤基吸附碳材料、煤基儲能碳材料等一系列在能源、環境、催化、分離等領域有廣泛應用的新結構、高性能、低成本煤基功能碳材料。邱介山教授指出：「煤炭的化學組成與結構高度複雜，不同地區的煤，其變質程度也往往差異巨大，目前還沒有通用的工藝方法可以實現不同的煤炭向功能碳材料的定向轉化」。

「煤炭可被看作是一類天然的高分子材料，成型過程極其漫長，結構非常複雜。形成煤的反應時間和溫度，以及地殼下的礦物質等都對煤的結構有影響。截至目前，沒有一種工藝能將所有種類的煤都轉化成所期望的功能材料。為此，我們需要在煤基碳材料的基礎研究方面投入更多的精力，利用先進技術手段將煤可控轉化為功能性高附加值材料。這並不是說一定要將煤全部轉化成富勒烯、碳納米管和石墨烯等，而是期望找到合適的科學技術手段，例如分子剪裁技術等，有效調控煤炭及其衍生物的化學結構與性質。」基於分子裁剪理論，邱介山團隊實現了對不同變質程度的煤炭和煤衍生前驅體的分子結構、化學組成和活性的調變，成功製備出尺度、功能各異的功能碳材料，建立了調控煤基碳材料的電子態密度、微晶尺寸、孔隙結構、電化學性能等參數和性能的技術方法。這一前瞻性學術思想的本質就是「將固態的煤製成固態的碳」，符合雙碳戰略。研究建立低能耗的簡單工藝過程，實現煤炭「稻草變黃金」的高附加值利用，是邱介山教授一直孜孜不倦追求的目標。迄今，邱介山團隊在煤基碳材料方面的論文數位居全球第一，近期致力於推進中間相瀝青碳纖維、碳基儲能材料的產業化。邱教授總結道，無論是在學術還是產業方面，都有值得我們付出畢生精力和心血去追求、探索與研究的工作，同時還希望，在發現新現象、建立新原理和新方法、創造新材料的過程當中，培養出一批高素質的學生。

人類社會的發展跟材料是密不可分的，新材料的出現在很大程度上推動了人類社會進步。邱教授說：「在石墨烯領域，國內可能有上千家公司。」石墨烯材料需要去偽存真，真正把材料的本徵構效關係和調控策略，從基本原理到工藝過程都努力搞清楚，才可以讓石墨烯的行業行穩致遠。石墨烯具有芳香性，基於 sp2 雜化的基本結構單元，它可以構建各種複合材料，應用於不同領域。例如在北京冬奧會的賽場上，石墨烯「溫暖亮相」，向全世界展示中國自主研發的新型加熱材料，也讓身處冰雪賽場的人們多了一重溫度保障、不畏嚴寒。碳纖維從微觀角度看是捲曲的，石墨烯單元構築而成。所以從這個角度來說，以石墨烯為代表的碳納米材料可以應用環境、能源、人類生活的衣食住行等方方面面。中國科學家另外一個代表性的工作，王春儒研究員致力研究的富勒烯材料已用於癌症治療，健康護膚等領域。再過十年、二十年大浪淘沙，我堅信碳納米材料將為我們的生產和生活帶來獨特的新功能新世界。」

眾所周知，鉛酸電池是最早發展和應用的儲能器件之一。但鉛酸電池本身能量密度低、功率密度差、運行里程短、環境污染嚴重，人們一直在努力研發能夠快速替代傳統鉛酸電池的新型電池技術，達到環境友好的需求，同時提高續航里程、能量密度、功率密度等。因此出現了鋰離子電池、超級電容器、鈉離子電池、鉀離子電池、固態電池等新型儲能電池。從上世紀 90 年代初開始，鋰離子電池實現產業化，發展到現在已經非常普及，鋰電池在能量密度、循環使用壽命、生產成本和安全性等方面依然存在諸多挑戰。新結構高性能電極材料的設計構築，是全方位提升電池性能的關鍵。通過提高電解液的安全性來加強電池的安全性能，也可以提升鋰電池的性能。同時發展其他電化學儲能技術也迫在眉睫。例如超級電容器，作為新型儲能裝置具有適應環境能力強、溫度特性好、使用壽命長和可快速充電等諸多優點。

離子電池由正極、負極、電解液和隔膜組成。材料鑄就器件，器件成就應用。儲能器件的未來發展很好，市場需求強勁。歸根結底，新結構高性能材料的創製，是改進提升儲能器件性能的基礎和根本。邱教授說，「我們團隊現在致力於推進煤基功能碳材料在超級電容器和鈉離子電池的基礎研究和產業化應用。材料的低成本可控制備及性能的進一步提升，依然具有巨大的研究空間及很大的挑戰，需要研究人員究根探底，腳踏實地，才能將儲能電池產業的未來路走得更寬、更平。」

儲能技術未來的發展需要高度重視電化學儲能，必須需依賴紮實的學識和技術積累。強大的基礎科學研究是中國建設世界科技強國的基石，加大基礎科學和前沿技術的研究力度，大幅提升原始創新能力，關係我們中國能否實現高水平的科技自立自強，能否把關鍵核心技術牢牢掌握在自己手中。同時，基礎研究更需要開創性思維和豐富的創造力，年輕科學家更容易突破舊思想的束縛，做出革命性和開創性的成果。另一方面，基礎科學和前沿技術的探索，是一個從 0 到 1 的過程，不僅要靠智力，更要靠專注和勤奮。

2021 年 12 月，中央經濟工作會議提出正確認識和把握「碳達峰、碳中和」戰略，並明確「要立足以煤為主的基本國情，抓好煤炭清潔高效利用、增加新能源消納能力，推動煤炭和新能源優化組合」。儲能技術是調節和增加新能源消納能力的關鍵技術之一，是我國新能源發展戰略的重中之重。碳材料以炭黑、石墨、碳納米管、石墨烯、活性炭、碳纖維等多種形式廣泛應用於電化學儲能器件中，是發展儲能技術必不可缺的關鍵功能材料之一。其中以碳納米管和石墨烯為代表的新型材料，具有優異的導電性、高比表面積等特點，在電化學儲能領域表現出巨大的潛力。國家「十四五」能源體系規劃也提出要通過大力發展可再生能源，到 2025 年非化石能源消費比重提高到 20%，非化石能源發電量比重達到 39%。利用非化石能源產生的清潔電力發展低碳氫能經濟，是實現雙碳目標的一個重要方向。功能碳材料在電解水制氫、燃料電池等氫能源上下游領域都具有重要應用，是從器件製造到代替貴金屬的廉價催化劑合成不可或缺的核心材料之一。目前，我國納米碳材料在能源領域的應用還受制於較高的成本。煤炭、可再生生物質等廉價天然材料在大規模、低成本功能碳材料製造方面有得天獨厚的優勢。

碳材料是一種有商業應用前景的電催化劑載體，雜原子摻雜是調控其結構與性能的重要策略之一。在燃料電池領域，不管是質子交換膜燃料電池還是直接醇燃料電池等，都離不開碳材料。

導電性良好、結構穩定的碳素材料是設計構築高性能催化劑的重要基體材料。碳載體與金屬碳化物的強相互作用往往是影響高催化活性的關鍵。例如，碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、多孔碳等，是金屬電催化劑的良好載體。可以改善納米尺寸的分散性、避免結塊或燒結、降低活性位之間的電阻、促進物質擴散、界面相互作用、優化活性位的電子性質等。自發現富勒烯至今，納米碳材料的研究不過短短三十餘年，在基礎科學問題與產業化方面仍有很多從 0 到 1 的問題需要解決，我輩其任重，其道亦遠，尚需不懈努力。

古人所謂「立言、立功、立德」三不朽，研究成果「上書架、上貨架」是所有科技工作者強國富民、實現人生價值的目標與情懷。儘管目前國內學術界與產業界之間的合作日趨密切，合作模式也愈加豐富，但需要建立有高度、有深度、有保障的互惠協作創新平台，實現學術界（特別是高校）與政府、產業界、法律界、金融界等多個行業的互通有無、無縫對接與互利合作，同時降低科研成果產業化過程中的政策、技術、金融與法律風險，確保科研成果產業化的穩定有序與高效率推進。然而目前，推進研究成果的產業化，是一個非常艱難的過程，國內現在依然沒有建立起一個普適性的平台，可以讓所有從事基礎研究的教授跟產業界有密切的合作。邱教授認為，從科研的角度來說，就是大家要有一個共同的目標，形成團隊意識，在不同的階段，參與人的利益要有所保障，才能更好更快地推進研究成果的產業化和實用化。

「作為一名大學教授，看到一批批學生在各行各業中取得出色成績，為國家的富強和快速發展在不同的崗位上建功立業，是讓人非常開心的一件事，內心有滿滿的幸福感」，邱介山教授欣慰地說。「對一名老師而言，無論發表多少論文，做了多少科研項目，還是推進並實現技術的產業化應用，這些都僅僅是我日常工作的一個方面。真正的快樂和成就感，來自我指導培養的學生們，看到他們能夠在社會上成為精英、充分發揮出他們自己的才幹，倍感欣慰。」

邱介山教授希望自己的學生都能對社會、對科學事業有所貢獻。「我真誠地希望每個學生都能成為社會精英和棟樑之才。比方說，一棟功能齊全的建築，要有強有力的基石和支柱，輔以其他部分，才能堅固持久耐用。我希望自己的學生都能成為類似建築物中不可或缺的支撐部分，成為社會進步中有擔當有作為的一員。希望他們任何時候都不輕言放棄，要自己努力成為社會對受過高等教育的人所期望的那個角色。」

國家的資源是有限的，如何利用有限的資源做最大貢獻是我們需要考慮的。邱教授說，我個人覺得，國家和行業的需求在哪裡？研究突破就得從哪裡開始。本質和建設高樓大廈一樣，都是一磚一瓦，從打地基開始。針對某一需求或者某一個材料、某一個技術，去認真梳理其瓶頸性的問題在哪裡，從原料開始、從反應過程開始、從設備和工藝過程開始，反覆梳理其中的關鍵問題。之後，鍥而不捨地有針對性地解決這些問題。

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