揭開生物質(zhì)石墨烯的“神秘面紗”

生物質(zhì)石墨烯能否催生萬(wàn)億級(jí)產(chǎn)業(yè)，需要時(shí)間和市場(chǎng)來(lái)檢驗(yàn)。

生物質(zhì)石墨烯到底是何來(lái)頭，離產(chǎn)業(yè)化還有多遠(yuǎn)?記者走訪了相關(guān)人士，試圖揭開生物質(zhì)石墨烯的“神秘面紗”。

石墨烯被譽(yù)為“改變21世紀(jì)的神奇材料”，且因其獨(dú)特的電學(xué)性能、力學(xué)性能、熱性能、光學(xué)性能和較高比表面積，近年來(lái)受到極大重視。

但是，擺在石墨烯產(chǎn)業(yè)化面前的一道難題是：大多數(shù)企業(yè)尚處在小批量生產(chǎn)的摸索階段，還不能形成穩(wěn)定的規(guī)?；a(chǎn)能力，且石墨烯的生產(chǎn)成本較高，原料供應(yīng)也有限制，這也阻礙了石墨烯進(jìn)一步走向市場(chǎng)。

近日，記者得到消息，山東濟(jì)南圣泉集團(tuán)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱圣泉集團(tuán))已經(jīng)和黑龍江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)攜手開發(fā)生物質(zhì)石墨烯，有望破解上述難題。相關(guān)媒體報(bào)道更是使用了“生物質(zhì)石墨烯問(wèn)世或?qū)⒋呱f(wàn)億級(jí)產(chǎn)業(yè)”這樣“奪人眼球”的標(biāo)題。

據(jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者在采訪中了解，然而，許多多年從事石墨烯制備研究的科研工作者對(duì)生物質(zhì)石墨烯僅有所耳聞，并未真正接觸過(guò)。

生物質(zhì)石墨烯到底是何來(lái)頭，離產(chǎn)業(yè)化還有多遠(yuǎn)?記者走訪了相關(guān)人士，試圖揭開生物質(zhì)石墨烯的“神秘面紗”。

當(dāng)生物質(zhì)撞上石墨烯

石墨烯是英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家2004年在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片。

據(jù)了解，由于石墨烯領(lǐng)域的專利技術(shù)大部分還停留在科研階段，制備成本普遍過(guò)高，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化商業(yè)生產(chǎn)，市場(chǎng)價(jià)格在200元/克左右，而且在原料上也屢受限制。這在一定程度上限制了石墨烯的大規(guī)模廣泛使用。

“現(xiàn)在半飽都達(dá)不到。”黑龍江奧宇石墨集團(tuán)有限公司董事長(zhǎng)韓玉鳳曾公開對(duì)媒體表示，現(xiàn)在礦石供應(yīng)只是需求量的五分之一。

有科學(xué)家從生物質(zhì)原料上打起了“主意”。

秸稈是一種天然纖維素生物質(zhì)，被認(rèn)為是地球上最有價(jià)值、最豐富的可再生資源。在中國(guó)，天然纖維素生物質(zhì)的年產(chǎn)率超過(guò)7億噸，其中玉米秸稈占有30 %。

由于玉米秸稈中碳含量比較豐富，因此將其轉(zhuǎn)化為具有特殊結(jié)構(gòu)的碳材料用于需要的領(lǐng)域非常重要。

近年來(lái)，類石墨烯材料在超級(jí)電容器領(lǐng)域中具有較為廣泛的應(yīng)用，主要是由于二維納米材料具有和石墨烯類似的杰出的電子傳導(dǎo)特性。

“已報(bào)道的介孔碳包覆石墨烯納米片以及石墨片的二維碳材料，具有較大的比表面積以及豐富的孔結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了較好的電容特性以及循環(huán)穩(wěn)定性。這些研究讓我們想到了直接合成多孔石墨化碳納米片用作超級(jí)電容器電極材料。為了解決環(huán)境污染以及資源匱乏的問(wèn)題，利用玉米秸稈為原料發(fā)展簡(jiǎn)單高效的方法合成多孔類石墨烯材料是非常重要的。”黑龍江大學(xué)教授付宏剛的科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在今年3月的一次技術(shù)交流會(huì)上這樣表達(dá)研究生物質(zhì)石墨烯的初衷。

付宏剛團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，玉米秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含有豐富的極性基團(tuán)，能夠和各種金屬離子配位。基于以上分析，付宏剛團(tuán)隊(duì)以玉米秸稈為原料，基于鐵的滲碳效應(yīng)發(fā)展了一種制備多孔類石墨烯材料的方法。

回歸冷靜的思考

圣泉集團(tuán)生物質(zhì)碳材料研究所所長(zhǎng)張金柱告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，圣泉集團(tuán)在得知黑龍江大學(xué)付宏剛團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)生物質(zhì)石墨烯研究成果后，在6月份就迅速與黑龍江大學(xué)接洽，開始了在生物質(zhì)石墨烯研究上的合作。

但是，面對(duì)生物質(zhì)石墨烯這一新興的被外界譽(yù)為極有潛力和市場(chǎng)價(jià)值的技術(shù)，還是有研究者表達(dá)了謹(jǐn)慎的觀望態(tài)度。

復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授盧紅斌對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者表示，雖然自己沒(méi)有參與生物質(zhì)石墨烯領(lǐng)域的研究，但從事石墨烯研究已經(jīng)多年，深知要想從生物質(zhì)中制備出石墨烯并非易事。

盧紅斌提出，從生物質(zhì)到石墨烯，需要經(jīng)過(guò)高溫處理，對(duì)設(shè)備和成本要求極高。

“制備石墨烯，要求生物質(zhì)材料盡可能地有著規(guī)則化的結(jié)構(gòu)，完美的石墨是芳香烴型的結(jié)構(gòu)，才能有較好的電荷傳輸效率，形成良好的導(dǎo)電性質(zhì)。若要導(dǎo)電，需要更高的溫度來(lái)處理。高溫處理能石墨化到什么程度、形成怎樣的石墨烯片層，也仍然是個(gè)問(wèn)題。”盧紅斌指出了生物質(zhì)制備石墨烯的難處。

他也提出，以生物質(zhì)為原料制備石墨烯，確實(shí)是一個(gè)不錯(cuò)的思路，在處理農(nóng)作物廢物上，是一個(gè)很好的選擇。

“但是，從另外一個(gè)角度而言，如果生物質(zhì)原料可以更加容易地制備出木質(zhì)素等產(chǎn)品，比大費(fèi)周章地制備出石墨烯，從合理利用生物質(zhì)的角度而言是否更合適呢?這值得探討。”盧紅斌說(shuō)。

此外，盧紅斌從環(huán)境角度提出了疑問(wèn)：“大分子的生物質(zhì)制備石墨烯時(shí)，會(huì)有許多小分子物質(zhì)釋放出來(lái)。生物質(zhì)中含有氮元素，可能也含有硫元素和磷元素等，這樣的廢棄物如果排放到空氣中，是否會(huì)造成一定的環(huán)境壓力?”

其他幾位不愿意具名的專家在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)也表達(dá)了類似的擔(dān)憂。

需時(shí)間和市場(chǎng)檢驗(yàn)

記者帶著相同的疑問(wèn)找到了張金柱。據(jù)張金柱介紹，“基團(tuán)配位組裝法”工藝制備生物質(zhì)石墨烯目前獲得成功，預(yù)計(jì)以當(dāng)前的技術(shù)能力，石墨烯年產(chǎn)量可以達(dá)到十幾萬(wàn)噸。

同時(shí)，圣泉集團(tuán)年產(chǎn)150噸生物質(zhì)石墨烯的中試生產(chǎn)線預(yù)計(jì)十月份試生產(chǎn)，而年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為2000噸的全球首個(gè)以生物質(zhì)為原料的石墨烯工業(yè)化項(xiàng)目也正在立項(xiàng)申報(bào)中。

“目前圣泉集團(tuán)生產(chǎn)的生物質(zhì)石墨烯主要是用于自有產(chǎn)業(yè)中的復(fù)合材料的開發(fā)，電化學(xué)應(yīng)用不是重點(diǎn)。按照我們公開的說(shuō)法，該種方法制備的石墨烯價(jià)格可以低到1元/克，成本有多低可想而知。而且，采取高溫制備，我們主要消耗的也是電能。”張金柱間接回應(yīng)了部分問(wèn)題。

他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，生物質(zhì)有很好的發(fā)展前景。石墨受到礦產(chǎn)資源的限制，而且資源終有一天會(huì)枯竭。而生物質(zhì)石墨烯原料取自天然植物的秸稈，具備可再生性。

“尤其我們對(duì)環(huán)境作出了貢獻(xiàn)，傳統(tǒng)石墨烯制備中要用到大量的強(qiáng)酸，但是高溫制備將生物質(zhì)‘悶壓’成石墨烯，不存在大量廢氣排放的問(wèn)題。”張金柱說(shuō)。

據(jù)圣泉集團(tuán)唐一林介紹，圣泉集團(tuán)首先將石墨烯應(yīng)用到了企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)品上。唐一林希望，在使用了石墨烯之后，酚醛樹脂、輕芯鋼、剎車片、砂輪、砂紙等產(chǎn)品，將因?yàn)樾阅艽蠓忍岣叨哂懈鼜?qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圣泉集團(tuán)也自信地表示：“源于其作為原料的農(nóng)作物秸桿的來(lái)源廣泛和價(jià)格低廉，進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)狀態(tài)后的充分量產(chǎn)，利器在手的圣泉集團(tuán)從此可以以足夠的底氣，從容地重新架構(gòu)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。”

記者在致電圣泉集團(tuán)公關(guān)部負(fù)責(zé)人時(shí)，對(duì)方透露，由于當(dāng)前進(jìn)一步的檢測(cè)與放大實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中，希望未來(lái)用更多的數(shù)據(jù)來(lái)支撐。

也正如盧紅斌所言，生物質(zhì)石墨烯能否催生萬(wàn)億級(jí)產(chǎn)業(yè)，需要時(shí)間和市場(chǎng)來(lái)檢驗(yàn)。