碳基納米材料：助力戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展

——訪中國(guó)石化新能源所所長(zhǎng)榮峻峰

本刊記者 趙洪鋒 許帆婷

石墨烯、碳納米管……近年來，這些耳熟能詳?shù)拿殖蔀槿蛐虏牧辖绲膶檭?，它們都是碳基納米材料家族的成員。

碳基納米材料有什么樣的特性，它們的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景如何？發(fā)展碳基納米材料對(duì)中國(guó)石化打造世界領(lǐng)先的潔凈能源和合成材料公司有何重要意義？近日，本刊記者就這些問題采訪了中國(guó)石化新能源所所長(zhǎng)榮峻峰。

石油石化產(chǎn)業(yè)向綠色低碳轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)

記者：什么是碳基納米材料，它具有什么樣的特性？能舉幾個(gè)例子嗎？

榮俊峰：碳是構(gòu)成人類社會(huì)能源和材料的重要基石。碳原子無論以哪種方式鍵合，當(dāng)其尺度達(dá)到納米級(jí)水平時(shí)（<100納米）會(huì)呈現(xiàn)出獨(dú)特的、豐富的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，構(gòu)成一系列具有廣闊應(yīng)用前景的碳基納米材料。

在碳基納米材料領(lǐng)域先后誕生了2項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。比較有代表性的碳基納米材料有巴基球C60、石墨烯、碳納米管，以及近年來涌現(xiàn)的碳量子點(diǎn)、碳包覆金屬納米材料等，它們?cè)诖呋?、新能源、吸附環(huán)保、高性能復(fù)合材料、生物醫(yī)用材料及光電子新材料等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，是支撐眾多戰(zhàn)略新興技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵材料。

2015年10月23日國(guó)家主席習(xí)近平參觀英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究院時(shí)指出，在當(dāng)前新一輪產(chǎn)業(yè)升級(jí)和科技革命大背景下，新材料產(chǎn)業(yè)必將成為未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)，對(duì)全球經(jīng)濟(jì)、科技、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。

石墨烯和碳納米管就是碳基納米材料中人們認(rèn)識(shí)較為深入、發(fā)展較為充分的兩類碳基納米材料，他們均可以從石油資源中制取。石墨烯（Graphene）是一種新型二維平面納米材料，最早由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈?蓋姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫從層狀結(jié)構(gòu)的石墨中用膠帶剝離出來，兩人也在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯優(yōu)異的電、光、強(qiáng)度等性質(zhì)使其在納米電子、微納米器件、超高速計(jì)算機(jī)芯片、超強(qiáng)復(fù)合材料、傳感器、能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換、催化等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。憑借其特殊的物理結(jié)構(gòu)和特質(zhì)，石墨烯在多個(gè)領(lǐng)域都將帶來革命性的變革，一旦量產(chǎn)將成為下一個(gè)萬億元級(jí)的產(chǎn)業(yè)。

中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)未來十年的發(fā)展總體目標(biāo)是“2020 年形成百億產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2025 年整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億元”?！丁笆濉眹?guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中指出，要發(fā)展新材料技術(shù)。發(fā)展先進(jìn)功能材料，以石墨烯和高端碳纖維為代表的先進(jìn)碳材為前沿材料的突破口，搶占材料前沿制高點(diǎn)。

碳納米管是石墨烯的孿生兄弟，也是一種代表性的碳納米材料，是目前研究最充分也是倍受關(guān)注的納米材料，技術(shù)成熟，已經(jīng)初步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。碳納米管同樣具有一系列優(yōu)異的性能，如極高的楊氏模量和極高的強(qiáng)度、優(yōu)異的導(dǎo)電性能，獨(dú)特的表面和吸附性能，極高的導(dǎo)熱率，以及優(yōu)異的催化性能和場(chǎng)致發(fā)射能力等，在未來超強(qiáng)纖維、透明顯示、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以及航天航空等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

記者：碳基納米材料對(duì)能源行業(yè)有什么意義？對(duì)這個(gè)產(chǎn)業(yè)的效能提升、綠色環(huán)保等能夠發(fā)揮什么樣的作用？

榮俊峰：碳基納米材料是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)石油石化產(chǎn)業(yè)向綠色低碳轉(zhuǎn)變的重要技術(shù)支撐之一。石油加工過程是一個(gè)將碳基資源中的碳?xì)湓刂貥?gòu)的過程，碳基納米材料可以為這一過程提供更高效、更綠色的催化材料，實(shí)現(xiàn)石油分子的精確轉(zhuǎn)變。另一方面，重質(zhì)油、劣質(zhì)油也是合成碳基納米材料的寶貴原料，這一領(lǐng)域的突破將為重/劣質(zhì)油加工提供新的、低碳化的思路，甚至重構(gòu)新的產(chǎn)業(yè)鏈。

產(chǎn)品的多樣化和高價(jià)值化是煉油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，而碳?xì)滏I的活化是實(shí)現(xiàn)小分子烷烴轉(zhuǎn)化、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高價(jià)值化的關(guān)鍵。2001年，人們首次發(fā)現(xiàn)納米碳纖維作為催化劑可實(shí)現(xiàn)乙苯的氧化脫氫反應(yīng)，在547 攝氏度下納米碳纖維催化活性高于高分散石墨，穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無定形的工業(yè)炭黑。隨后人們發(fā)現(xiàn)，無金屬的納米碳在碳?xì)滏I的催化活化等小分子催化活化方面具有巨大的潛力。將煉油過程中副產(chǎn)的丙烷、丁烷等廉價(jià)的低碳烷烴轉(zhuǎn)化為丙烯、丁烯、丁二烯等高價(jià)值產(chǎn)品具有十分重要的意義。開發(fā)能夠高效活化碳?xì)滏I的新催化材料是這一領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵。

納米碳材料不但擁有傳統(tǒng)催化材料的一系列優(yōu)點(diǎn)，而且還具有原料來源廣泛、耐酸堿性、孔結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)可調(diào)變、抗積碳、具有獨(dú)特的金屬/半導(dǎo)體導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，使其在加氫、脫氫和擇形催化、電催化等反應(yīng)中具有很大的應(yīng)用潛力。

此外，氫能的發(fā)展同樣離不開碳基納米材料。氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的眾多關(guān)鍵材料的發(fā)展，從電解水催化劑、燃料電池催化劑和擴(kuò)散層材料、到儲(chǔ)氫材料都依賴于高性能的碳基納米材料的進(jìn)步。

產(chǎn)業(yè)化最大瓶頸在于未出現(xiàn)顛覆性產(chǎn)品

記者：碳基納米材料的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用目前處于什么階段？

榮俊峰：碳基納米材料的新結(jié)構(gòu)、新性質(zhì)、新應(yīng)用是基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域。在產(chǎn)業(yè)化方面，碳基納米材料尚處于培育期，部分領(lǐng)域已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)入階段。

石墨烯在石油石化行業(yè)中的發(fā)展?jié)摿薮螅诘团欧藕筒町惢┲苽?、石墨烯?fù)合材料、能源轉(zhuǎn)化器件（電池、電容器）、石墨烯潤(rùn)滑材料、石墨烯催化材料、石墨烯水處理材料等領(lǐng)域均可形成新的技術(shù)和效益增長(zhǎng)點(diǎn)。然而，石墨烯制備與應(yīng)用技術(shù)還沒有成熟，生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量和下游市場(chǎng)開發(fā)方面仍存在巨大的提升空間。

石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的瓶頸在于還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，還未出現(xiàn)具有顛覆性的實(shí)用產(chǎn)品，但是在一些相對(duì)成熟領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來越明朗，如復(fù)合材料、防腐涂料、顯示產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域都有著非常不錯(cuò)的發(fā)展勢(shì)頭。在石墨烯產(chǎn)業(yè)形成之前，首先需要突破功能化、差別化的石墨烯制備及相關(guān)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。

目前以低碳烴類為碳源利用化學(xué)氣相沉積法已能實(shí)現(xiàn)碳納米管的工業(yè)生產(chǎn)，在高端導(dǎo)電添加劑領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。實(shí)現(xiàn)碳納米管生長(zhǎng)的控制從而精準(zhǔn)調(diào)控碳納米管的缺陷、結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)排列是該領(lǐng)域的主要科學(xué)問題，一旦取得突破將引領(lǐng)多個(gè)戰(zhàn)略新興技術(shù)的快速發(fā)展。

助力“一基兩翼三新”發(fā)展格局

記者：對(duì)于中國(guó)石化這樣致力于潔凈能源和合成材料的全球化能源化工公司來說，研發(fā)碳基納米材料有什么意義？未來在什么領(lǐng)域能讓它發(fā)揮更大的作用？

榮俊峰：石油是碳基的資源和能源，傳統(tǒng)的石油化工產(chǎn)業(yè)支撐了現(xiàn)代社會(huì)的能源與合成材料。進(jìn)入21世紀(jì)以來，綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的要求日益迫切，而碳基納米材料是實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的重要切入點(diǎn)。

今年3月，張玉卓董事長(zhǎng)提出“一基兩翼三新”的發(fā)展戰(zhàn)略，中國(guó)石化要“著力構(gòu)建以能源資源為基礎(chǔ)，以潔凈能源和合成材料為兩翼，以新能源、新經(jīng)濟(jì)、新領(lǐng)域?yàn)橹匾鲩L(zhǎng)點(diǎn)的‘一基兩翼三新’發(fā)展格局，打造世界領(lǐng)先的潔凈能源和合成材料公司”。碳基納米材料在新能源、新經(jīng)濟(jì)和新領(lǐng)域中大有作為。

制備決定結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，制備與性質(zhì)決定未來！結(jié)構(gòu)的豐富性、性質(zhì)的多樣性決定了碳基納米材料在新能源、新材料等戰(zhàn)略新興技術(shù)中有著廣闊的應(yīng)用前景。從石油、煤、生物質(zhì)等碳基資源制備碳基納米材料是轉(zhuǎn)型發(fā)展和實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。精確控制碳基納米材料的結(jié)構(gòu)與組成是實(shí)現(xiàn)其高性能化的關(guān)鍵。在未來的場(chǎng)景中，從石油資源出發(fā)，通過新一代加工技術(shù)，可以提供種類繁多、應(yīng)用廣泛的“碳基納米材料”，助力新能源等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。