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“梦幻材料”石墨烯因具备强度高、韧性好、重量轻、导电性强等优势，带给人们无限想象：超轻薄型飞机、超薄可折叠手机、太空电梯…… 石墨烯的“两面派” 石墨烯似双刃剑，很“美好”，也很“邪恶”。 “美好”是因为它是目前世界上最薄、最坚硬、电阻最小的纳米材料，在导热、导电、透光性能、气体阻隔等方面亮点频现，广泛应用于电子、航天、军工、生物、新能源、半导体等诸多领域。 “邪恶”是因为传统石墨烯必须以石墨或石化资源为碳源，原材料受限的同时，对环境也不友好，同时还面临成本高昂、难以规模产业化等多重挑战。 目前，制备石墨烯主要利用化学氧化还原、微机械或溶剂剥离、化学气相沉积等方法。 朱锦告诉《中国科学报》记者，由于采用氧化还原法生产石墨烯的主要原料以及工艺和周期没有取得突破，所以各个生产厂家的成本基本上都在100万元/吨或以上，高昂的价格严重限制了石墨烯的应用。 不仅如此，氧化还原法大规模稳定生产石墨烯，在生产工艺和路线上也存在问题。朱锦说：“石墨烯在工业化放大技术上，某些生产厂家虽然一直用相同的原料和工艺参数，但是批次之间的质量差异非常大。” 他还表示，石墨烯虽然在复合材料、能源材料、电子以及传感器材料的实验室研究中，已经取得了许多令人惊异的成果，但在工业化的应用上依然存在着诸多使用限制，例如易发生团聚等问题。 天津大学材料科学与工程学院教授封伟也对《中国科学报》记者称，目前，以吨/天的速度生产石墨烯还很难实现，无法满足市场对石墨烯的需求。 如今，很多企业都希望借助石墨烯这一“工业味精”来提升产品的附加值和竞争力，业内预计，今年石墨烯还有望带动50亿~100亿元规模的传统产业升级。 而在这种行业高涨的势头下，开发低成本、高品质的石墨烯就成为当下研究的焦点。 瞄准生物质 石墨烯的主要原材料是碳，要想打破石化资源的限制，就需要在原材料上另辟蹊径。 为此，朱锦团队以木质素、纤维素等廉价生物质碳源为原材料，成功制备出高纯度、高品质的生物基石墨烯，而且成本较传统石墨剥离法路线大幅度降低，由每公斤数千元下降到数百元以下。 朱锦团队制备的生物基石墨烯为蓬松的黑色粉末，其比表面积在400~1000平方米/克，产品的石墨化程度较高，缺陷较少，平均层数较少。 朱锦告诉记者，生物基石墨烯具有很多优势。首先，原料便宜易得，不受地理限制;其次，整个生产工艺更为简化和压缩，对生产设备要求较低，生产周期和能耗也大幅度降低。 “由于原料、工艺的简化，使得整个生产过程的可控性更好，批次之间的差异极小，因此在工业化放大过程中拥有氧化还原法不能比拟的稳定性和可靠性。”朱锦说。 而在封伟看来，生物基石墨烯还是一种相对绿色环保的方法，不仅避免了对环境不友好的还原剂的使用，也没有溶剂分子的分解和有害气体的释放。与此同时，生物基石墨烯在产率方面也具有微机械剥离法及传统的化学气相沉积法不可比拟的优势，纯度也相对较高。 不过，由于生产方式和方法不同，用生物基来源的原料目前还无法制备大面积单层石墨烯，即使能够制备，也会造成成本的大幅度上升。朱锦告诉记者，他们目前依然着眼于生物基石墨烯的粉料领域，在复合材料、能源材料和生物传感器等领域进行拓展。 “目前，该材料已经在防腐复合材料、电池能源材料领域进行了初步的小试试验，并取得了较好的结果。”朱锦说，“生物基石墨烯在电池电极材料等领域的对比实验中，与传统石墨烯的性能差别并不显著，甚至可以说生物基石墨烯还表现出了一定的优势。” 等待市场的检验 然而，与传统的石墨烯一样，生物基石墨烯也有着产业化应用技术上的挑战。 封伟认为，如何精确控制生物基石墨烯的片层数与片层大小，以便于获得固定层数甚至单层的高质量石墨烯是亟待解决的技术问题。同时，如何避免不同生物碳源的结构、处理过程对生长的石墨烯造成的差异性，也将是工业化过程中不可避免的问题。 赛迪顾问原材料产业研究中心分析师张晶晶则对《中国科学报》记者表示，作为碳源的纤维素等有机材料来源不稳定，且难以大规模收购，生产过程中还会产生废气等污染物，这些劣势也会形成生物基石墨烯产业化应用的挑战。 “如果能克服这些障碍，生物基石墨烯才有可能作为一种合理的方式形成大量市场需求。”张晶晶说。 朱锦也深知应用技术从小试到工业化规模生产的道路充满荆棘，为此其团队已经作好充足的准备，开始在能源和防腐领域开展应用测试，并以这些测试结果和反馈来调整生物基石墨烯产品的特性，使生产与应用产生良性循环，打造石墨烯行业的健康生态圈。 不过，在中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春看来，石墨烯产业发展势头迅猛的同时，重上游轻下游、重科研轻应用、重噱头轻实干等现象也端倪初现，生物基石墨烯是否也会出现“泡沫化”，还需要市场来检验。 |
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