4 月間，疫情雖擴(kuò)散，桃花仍綻放。碳材料的研究沒有止步，產(chǎn)學(xué)研的合作也沒有擱淺。碳材料的發(fā)展將迎難而上，跨上新的臺(tái)階。

聚 焦“ 碳 ” 前 沿 科 技， 呈 現(xiàn)“ 碳 ” 行 業(yè) 動(dòng) 態(tài)。本 期。《Carbontech Magazine》特別邀請(qǐng)到北京化工大學(xué)邱介山教授從學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)角度出發(fā)，分析碳材料在碳達(dá)峰碳中和過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題和應(yīng)用前景。本文根據(jù)畢紅教授的專訪內(nèi)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(zhì)世界與萬千生命的關(guān)鍵元素，整個(gè)人類的發(fā)展經(jīng)緯始終與發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn) ( 碳量子點(diǎn) )、制造碳、利用碳的歷史并行。自 1985 年發(fā)現(xiàn)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(chǎng)，短短30 余年間，已從實(shí)驗(yàn)室逐漸走進(jìn)人們的生活。在某種程度上說，21世紀(jì)就是一個(gè)碳的時(shí)代，納米碳材料的戰(zhàn)略意義日益凸顯。以石墨烯為例，我國相關(guān)企業(yè)已超過上千家，并在常州、無錫、青島、深圳等地形成產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，成為世界石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的中心之一，在復(fù)合材料、導(dǎo)電導(dǎo)熱涂層、超級(jí)電容器、鋰離子電池等行業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用引領(lǐng)世界，在北京冬奧會(huì)賽場(chǎng)上，中國自主研發(fā)的新型石墨烯加熱材料更“溫暖亮相”，為冬奧護(hù)航。在石墨烯科學(xué)領(lǐng)域，劉忠范院士、成會(huì)明院士、張錦院士等領(lǐng)導(dǎo)的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)做出了很多意義重大的工作。在 CVD 石墨烯薄膜等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，劉忠范院士是國際上的領(lǐng)頭羊，領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)建的北京石墨烯研究院 (BGI)，瞄準(zhǔn)石墨烯產(chǎn)業(yè)，致力于打造核心競(jìng)爭(zhēng)力，是引領(lǐng)全球的石墨烯材料及其制造裝備、原創(chuàng)性的石墨烯應(yīng)用產(chǎn)品與核心技術(shù)、定制化的技術(shù)研發(fā)服務(wù)和理想的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)。2010 年，中國科學(xué)家李玉良院士的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了一種全新的全碳二維平面結(jié)構(gòu)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(huán)共軛連接形成的二維單原子層平面構(gòu)型的全碳分子。石墨炔具有豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系、寬面間距、多孔、優(yōu)良的化學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、半導(dǎo)體性能及力學(xué)、催化和磁學(xué)等性能。石墨炔的創(chuàng)制，使碳材料家族又誕生了一個(gè)新成員，開辟了人工化學(xué)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(xué)家的這一杰出的原創(chuàng)工作，在碳材料科學(xué)領(lǐng)域?qū)懴铝?/span>濃墨重彩的一筆。比石墨烯發(fā)現(xiàn)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癥治療、抗衰老等領(lǐng)域的應(yīng)用在世界范圍內(nèi)也獨(dú)具特色。目前，中國在碳納米材料的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展領(lǐng)域均處于世界前列。

長期以來，煤炭一直是我國最重要的一次能源。在“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略背景下，煤炭的清潔利用技術(shù)之發(fā)展對(duì)于我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)和諧快速發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，煤炭的資源化高附加值精細(xì)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(xì)化”的發(fā)展理念和“多維碳材料工程”的概念，凝心致力開發(fā)“化學(xué)剪刀”方法學(xué)，實(shí)現(xiàn)煤炭分子結(jié)構(gòu)向功能碳材料的可控轉(zhuǎn)變，成功開發(fā)了煤基吸附碳材料、煤基儲(chǔ)能碳材料等一系列在能源、環(huán)境、催化、分離等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用的新結(jié)構(gòu)、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(xué)組成與結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜，不同地區(qū)的煤，其變質(zhì)程度也往往差異巨大，目前還沒有通用的工藝方法可以實(shí)現(xiàn)不同的煤炭向功能碳材料的定向轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。形成煤的反應(yīng)時(shí)間和溫度，以及地殼下的礦物質(zhì)等都對(duì)煤的結(jié)構(gòu)有影響。截至目前，沒有一種工藝能將所有種類的煤都轉(zhuǎn)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(chǔ)研究方面投入更多的精力，利用先進(jìn)技術(shù)手段將煤可控轉(zhuǎn)化為功能性高附加值材料。這并不是說一定要將煤全部轉(zhuǎn)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(xué)技術(shù)手段，例如分子剪裁技術(shù)等，有效調(diào)控煤炭及其衍生物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)?！被诜肿硬眉衾碚?，邱介山團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同變質(zhì)程度的煤炭和煤衍生前驅(qū)體的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和活性的調(diào)變，成功制備出尺度、功能各異的功能碳材料，建立了調(diào)控煤基碳材料的電子態(tài)密度、微晶尺寸、孔隙結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能等參數(shù)和性能的技術(shù)方法。這一前瞻性學(xué)術(shù)思想的本質(zhì)就是“將固態(tài)的煤制成固態(tài)的碳”，符合雙碳戰(zhàn)略。研究建立低能耗的簡(jiǎn)單工藝過程，實(shí)現(xiàn)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(biāo)。迄今，邱介山團(tuán)隊(duì)在煤基碳材料方面的論文數(shù)位居全球第一，近期致力于推進(jìn)中間相瀝青碳纖維、碳基儲(chǔ)能材料的產(chǎn)業(yè)化。邱教授總結(jié)道，無論是在學(xué)術(shù)還是產(chǎn)業(yè)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(shí)還希望，在發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、建立新原理和新方法、創(chuàng)造新材料的過程當(dāng)中，培養(yǎng)出一批高素質(zhì)的學(xué)生。

人類社會(huì)的發(fā)展跟材料是密不可分的，新材料的出現(xiàn)在很大程度上推動(dòng)了人類社會(huì)進(jìn)步。邱教授說：“在石墨烯領(lǐng)域，國內(nèi)可能有上千家公司?！笔┎牧闲枰未嬲?，真正把材料的本征構(gòu)效關(guān)系和調(diào)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(yè)行穩(wěn)致遠(yuǎn)。石墨烯具有芳香性，基于 sp2 雜化的基本結(jié)構(gòu)單元，它可以構(gòu)建各種復(fù)合材料，應(yīng)用于不同領(lǐng)域。例如在北京冬奧會(huì)的賽場(chǎng)上，石墨烯“溫暖亮相”，向全世界展示中國自主研發(fā)的新型加熱材料，也讓身處冰雪賽場(chǎng)的人們多了一重溫度保障、不畏嚴(yán)寒。碳纖維從微觀角度看是卷曲的，石墨烯單元構(gòu)筑而成。所以從這個(gè)角度來說，以石墨烯為代表的碳納米材料可以應(yīng)用環(huán)境、能源、人類生活的衣食住行等方方面面。中國科學(xué)家另外一個(gè)代表性的工作，王春儒研究員致力研究的富勒烯材料已用于癌癥治療，健康護(hù)膚等領(lǐng)域。再過十年、二十年大浪淘沙，我堅(jiān)信碳納米材料將為我們的生產(chǎn)和生活帶來獨(dú)特的新功能新世界。”

眾所周知，鉛酸電池是最早發(fā)展和應(yīng)用的儲(chǔ)能器件之一。但鉛酸電池本身能量密度低、功率密度差、運(yùn)行里程短、環(huán)境污染嚴(yán)重，人們一直在努力研發(fā)能夠快速替代傳統(tǒng)鉛酸電池的新型電池技術(shù)，達(dá)到環(huán)境友好的需求，同時(shí)提高續(xù)航里程、能量密度、功率密度等。因此出現(xiàn)了鋰離子電池、超級(jí)電容器、鈉離子電池、鉀離子電池、固態(tài)電池等新型儲(chǔ)能電池。從上世紀(jì) 90 年代初開始，鋰離子電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)非常普及，鋰電池在能量密度、循環(huán)使用壽命、生產(chǎn)成本和安全性等方面依然存在諸多挑戰(zhàn)。新結(jié)構(gòu)高性能電極材料的設(shè)計(jì)構(gòu)筑，是全方位提升電池性能的關(guān)鍵。通過提高電解液的安全性來加強(qiáng)電池的安全性能，也可以提升鋰電池的性能。同時(shí)發(fā)展其他電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)也迫在眉睫。例如超級(jí)電容器，作為新型儲(chǔ)能裝置具有適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、溫度特性好、使用壽命長和可快速充電等諸多優(yōu)點(diǎn)。

離子電池由正極、負(fù)極、電解液和隔膜組成。材料鑄就器件，器件成就應(yīng)用。儲(chǔ)能器件的未來發(fā)展很好，市場(chǎng)需求強(qiáng)勁。歸根結(jié)底，新結(jié)構(gòu)高性能材料的創(chuàng)制，是改進(jìn)提升儲(chǔ)能器件性能的基礎(chǔ)和根本。邱教授說，“我們團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在致力于推進(jìn)煤基功能碳材料在超級(jí)電容器和鈉離子電池的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。材料的低成本可控制備及性能的進(jìn)一步提升，依然具有巨大的研究空間及很大的挑戰(zhàn)，需要研究人員究根探底，腳踏實(shí)地，才能將儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)的未來路走得更寬、更平。”

儲(chǔ)能技術(shù)未來的發(fā)展需要高度重視電化學(xué)儲(chǔ)能，必須需依賴扎實(shí)的學(xué)識(shí)和技術(shù)積累。強(qiáng)大的基礎(chǔ)科學(xué)研究是中國建設(shè)世界科技強(qiáng)國的基石，加大基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)的研究力度，大幅提升原始創(chuàng)新能力，關(guān)系我們中國能否實(shí)現(xiàn)高水平的科技自立自強(qiáng)，能否把關(guān)鍵核心技術(shù)牢牢掌握在自己手中。同時(shí)，基礎(chǔ)研究更需要開創(chuàng)性思維和豐富的創(chuàng)造力，年輕科學(xué)家更容易突破舊思想的束縛，做出革命性和開創(chuàng)性的成果。另一方面，基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)的探索，是一個(gè)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(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出正確認(rèn)識(shí)和把握“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略，并明確“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(dòng)煤炭和新能源優(yōu)化組合”。儲(chǔ)能技術(shù)是調(diào)節(jié)和增加新能源消納能力的關(guān)鍵技術(shù)之一，是我國新能源發(fā)展戰(zhàn)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(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能器件中，是發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)必不可缺的關(guān)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(yōu)異的導(dǎo)電性、高比表面積等特點(diǎn)，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛力。國家“十四五”能源體系規(guī)劃也提出要通過大力發(fā)展可再生能源，到 2025 年非化石能源消費(fèi)比重提高到 20%，非化石能源發(fā)電量比重達(dá)到 39%。利用非化石能源產(chǎn)生的清潔電力發(fā)展低碳?xì)淠芙?jīng)濟(jì)，是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的一個(gè)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(lǐng)域都具有重要應(yīng)用，是從器件制造到代替貴金屬的廉價(jià)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(lǐng)域的應(yīng)用還受制于較高的成本。煤炭、可再生生物質(zhì)等廉價(jià)天然材料在大規(guī)模、低成本功能碳材料制造方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

碳材料是一種有商業(yè)應(yīng)用前景的電催化劑載體，雜原子摻雜是調(diào)控其結(jié)構(gòu)與性能的重要策略之一。在燃料電池領(lǐng)域，不管是質(zhì)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(dǎo)電性良好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的碳素材料是設(shè)計(jì)構(gòu)筑高性能催化劑的重要基體材料。碳載體與金屬碳化物的強(qiáng)相互作用往往是影響高催化活性的關(guān)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(jié)塊或燒結(jié)、降低活性位之間的電阻、促進(jìn)物質(zhì)擴(kuò)散、界面相互作用、優(yōu)化活性位的電子性質(zhì)等。自發(fā)現(xiàn)富勒烯至今，納米碳材料的研究不過短短三十余年，在基礎(chǔ)科學(xué)問題與產(chǎn)業(yè)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(yuǎn)，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(qiáng)國富民、實(shí)現(xiàn)人生價(jià)值的目標(biāo)與情懷。盡管目前國內(nèi)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)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(xié)作創(chuàng)新平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)界（特別是高校）與政府、產(chǎn)業(yè)界、法律界、金融界等多個(gè)行業(yè)的互通有無、無縫對(duì)接與互利合作，同時(shí)降低科研成果產(chǎn)業(yè)化過程中的政策、技術(shù)、金融與法律風(fēng)險(xiǎn)，確保科研成果產(chǎn)業(yè)化的穩(wěn)定有序與高效率推進(jìn)。然而目前，推進(jìn)研究成果的產(chǎn)業(yè)化，是一個(gè)非常艱難的過程，國內(nèi)現(xiàn)在依然沒有建立起一個(gè)普適性的平臺(tái)，可以讓所有從事基礎(chǔ)研究的教授跟產(chǎn)業(yè)界有密切的合作。邱教授認(rèn)為，從科研的角度來說，就是大家要有一個(gè)共同的目標(biāo)，形成團(tuán)隊(duì)意識(shí)，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(jìn)研究成果的產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化。

“作為一名大學(xué)教授，看到一批批學(xué)生在各行各業(yè)中取得出色成績，為國家的富強(qiáng)和快速發(fā)展在不同的崗位上建功立業(yè)，是讓人非常開心的一件事，內(nèi)心有滿滿的幸福感”，邱介山教授欣慰地說?！皩?duì)一名老師而言，無論發(fā)表多少論文，做了多少科研項(xiàng)目，還是推進(jìn)并實(shí)現(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，這些都僅僅是我日常工作的一個(gè)方面。真正的快樂和成就感，來自我指導(dǎo)培養(yǎng)的學(xué)生們，看到他們能夠在社會(huì)上成為精英、充分發(fā)揮出他們自己的才干，倍感欣慰。”

邱介山教授希望自己的學(xué)生都能對(duì)社會(huì)、對(duì)科學(xué)事業(yè)有所貢獻(xiàn)。“我真誠地希望每個(gè)學(xué)生都能成為社會(huì)精英和棟梁之才。比方說，一棟功能齊全的建筑，要有強(qiáng)有力的基石和支柱，輔以其他部分，才能堅(jiān)固持久耐用。我希望自己的學(xué)生都能成為類似建筑物中不可或缺的支撐部分，成為社會(huì)進(jìn)步中有擔(dān)當(dāng)有作為的一員。希望他們?nèi)魏螘r(shí)候都不輕言放棄，要自己努力成為社會(huì)對(duì)受過高等教育的人所期望的那個(gè)角色?！?/span>

國家的資源是有限的，如何利用有限的資源做最大貢獻(xiàn)是我們需要考慮的。邱教授說，我個(gè)人覺得，國家和行業(yè)的需求在哪里？研究突破就得從哪里開始。本質(zhì)和建設(shè)高樓大廈一樣，都是一磚一瓦，從打地基開始。針對(duì)某一需求或者某一個(gè)材料、某一個(gè)技術(shù)，去認(rèn)真梳理其瓶頸性的問題在哪里，從原料開始、從反應(yīng)過程開始、從設(shè)備和工藝過程開始，反復(fù)梳理其中的關(guān)鍵問題。之后，鍥而不舍地有針對(duì)性地解決這些問題。