石墨烯产业化道路改如何走下去

它是目前世界上已知最薄、最坚硬、导电性导热性最高的新型纳米材料；它是近年来耀眼的新材料之星。摆出这两条，你一定猜到了，它，是石墨烯。   有关它的最新消息是，清华大学深圳国际研究生院助理教授苏阳与其合作者近日发现，用一种基于还原氧化石墨烯制备的石墨烯材料，可精准快速吸附电子垃圾中的金离子并还原为纯金颗粒，进而发展出一种基于石墨烯薄膜、适合规模化生产的连续金吸附方法。由于商用氧化石墨烯的成本远低于金价，该石墨烯材料具有大规模应用的经济可行性，为实现金资源可持续性发展和电子垃圾回收提供了新的解决方案。   其实，对于石墨烯的关注，无非是这些，它能为我们做什么？它真的无所不能吗？石墨烯是只有一个原子层厚度的单层石墨片，理论强度是钢的百倍，几乎完全透明，由于其独特的物理、化学性质，石墨烯可以想象的应用场景很多，但目前大部分仍处于研发阶段，比如电子信息、能源、功能性材料、生物医药、节能环保、航空航天领域等。与此同时，经过10多年的发展，科研人员已经发现了多种制作石墨烯的方法，并使其进入工业生产领域。   现在的问题是，石墨烯实现产业化，怎么走才对路？  

从一公斤到几公斤，没有高端装备怎么行

“对于石墨烯的发展和产业化可谓见仁见智。”中国科学院过程工程研究所王钰研究员说，尽管众说纷纭，但大家有一个普遍共识：对于石墨烯产业来说，制备决定未来。

王钰带领团队研发了一种高品质石墨烯制备方法，这是一种融合多物理场、多工艺环节耦合，将三维石墨块体剥离形成二维纳米材料的物理过程。

2012年，王钰团队耗时月余，为国内某知名汽车企业提供一公斤石墨烯粉体材料用于试验。为反复验证试验成果，该企业提出再做几公斤的想法，这需要用去整个团队一整年的时间。“新材料要面向工业发展，必须突破实验室里的‘瓶瓶罐罐’，开发与新材料相匹配的装备。”王钰坦言，装备研制不是他们的强项。

“提高压力，反应容器就碎了。”耗时两年、多学科专家合作研制的装备，败于关键零部件的材料缺陷。“材料与装备如鸟之双翼，缺一不可！”痛定思痛，王钰团队利用石墨烯开发出新的陶瓷材料，完成升级高压均质机的研制，可谓“以石墨烯之矛，攻石墨烯之盾”的经典案例。今年，在“科技支宁”东西部合作机制推动下，利用王钰团队的工艺和装备，宁夏某企业完成第三代高纯石墨烯生产线建设，年产量达20万吨。

“基础决定实力，工艺决定质量，装备决定胜负。”中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范认为，装备是工艺的固化，先进的制备工艺需要新的装备来实现，自主研发装备也是保护知识产权的重要举措。

石墨烯不是万金油

石墨烯有“新材料之王”的美誉，也有“骗局”“坑王”的毁誉，其发展和应用多年来争议不断。那么，实际应用中它真如理论上所说无所不能吗？   以石墨烯涂料为例，超薄石墨烯微片可以比传统玻璃鳞片（3～5微米）提供更好的物理屏蔽，延缓腐蚀介质的渗透，但比金属更稳定的高导电性石墨烯会加剧金属的电化学腐蚀，其提供的物理屏蔽效应只能满足短期防腐需求。   作为添加剂或多功能二维纳米填料，石墨烯可以赋予聚合物复合材料优异的力学、电学、热学性能，扩展材料的应用范围，这是国内研究和应用比较多的领域。但是无缺陷的石墨烯表现出憎水憎油特性，难以均匀分散在聚合物材料中，通常需要使用有缺陷的氧化石墨烯制备聚合物复合材料，这样做又会损害材料的性能。   2021年，一则“8分钟充满80%，续航1000公里”的汽车海报，将石墨烯电池送到舆论的风口浪尖。“石墨烯能够提高充放电速率，而对于容（能）量的提升基本没有任何帮助，其噱头意义大于实用价值。”清华大学材料科学与工程博士刘冠伟从理论上解释，单纯依靠石墨烯电池提高续航里程的希望十分渺茫。   以碳纤维为例，刘忠范说：“已经花了60年，还远没有成熟。”石墨烯从2004年在实验室被发现，迄今只有10多年时间，无论是材料制备还是寻找“撒手锏”级的应用，都要有十年磨一剑的耐心，要放眼未来，聚焦打造核心竞争力。

要基础研究与应用研究两条腿走路

截至2020年年底，我国石墨烯产业相关企业有近17000家，论文总数占全球三分之一，专利数量占全球总数三分之二，从研究规模和人才队伍看，我国已属于第一方阵。

然而，“我们的石墨烯产业更多关注具体产品，挣快钱，但它们未必是未来的主导应用”。刘忠范对当前的“石墨烯热”表示担心。石墨烯产业依赖于石墨烯材料本身，没有好的材料就失去了产业的根基。“把材料做好是关键！”刘忠范鼓励研究人员要有耐心和坚持，既要有原创性的基础研究，也需要精益求精的研发和持续不断的投入。

“在基础研究领域要奋起直追，同时要对材料的本质有深刻理解，将材料的精妙之处发挥出来。”王钰认为，新材料和新装备的发展是永无止境的，针对不同的应用需求，要有精细化研究的理念和思路，做到“一把钥匙开一把锁”。

编辑：黄飞