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如何突破批量制备石墨烯瓶颈?

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2016年2月2日 | 中国能源研究网  http://energy.chinairn.com |打印】【关闭

  石墨烯,一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的碳材料,凭借优异性能可广泛应用于新能源汽车、航空航天等多个领域,被《中国制造2025》列为战略前沿材料之一,成为“十三五”新材料领域的重点发展对象。

  “我们将以创新驱动为先导,打造世界级石墨烯生产和应用基地,推动广西‘2025中国制造’产业升级。”近日,国际知名电化学专家、国家自然科学奖二等奖获得者、广西大学可再生能源材料协同创新中心主任沈培康教授向记者描绘了依托广西大学多学科融合的优势,推动石墨烯产业发展的未来前景。

  突破批量制备石墨烯瓶颈

  作为材料界的新星,石墨烯因具有极好的电学、力学、热学以及光学性能,在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新能源、新材料等新兴领域都将带来革命性的技术进步。

  “尽管石墨烯在诸多领域有着巨大应用,但是没有一种方法可以大批量生产石墨烯。”沈培康教授介绍说,二维石墨烯存在着合成成本高,工艺复杂;易于堆积或团聚;分散于稳定剂中,浓度很低等材料制备和应用难点。

  在制备三维石墨烯并降低成本的道路上,沈培康教授团队展开了长期研究,并迈出了关键一步——发明了离子交换树脂一步法批量制备三维多级孔石墨烯材料。“石墨烯三维化是二维石墨烯片应用瓶颈的关键技术,我们通过离子交换树脂一步法制备三维类石墨烯材料,产品合成工艺简单,原料来源广泛,成本低廉,可以成吨、成百吨生产。”沈培康教授说。

  在研究中,沈培康教授团队发现,此方法合成的三维多级孔自掺杂(氮、磷、硼等)类石墨烯材料具有其它碳材料包括商用石墨烯在内的碳材料不具备的性质,比如高比表面积、高导电性、自掺杂、多级孔结构等。

  应用扩展到车体轻量化领域

  石墨烯的实际应用范围广泛,车体轻量化就是其中一个重要领域。

  由于环保节能要求日趋严格,汽车轻量化已日渐成为世界汽车发展的趋势和热点。研究数据表明:汽车重量每减少10%,燃油消耗可降低6%—8%。

  近年来,作为一种新型的超强材料,石墨烯在汽车工业领域正受到广泛的重视。“石墨烯是目前已知最薄和最强韧的纳米材料,断裂强度是钢材的200倍,拉伸幅度可达到自身尺寸的20%。”沈培康教授说。

  目前,广西大学可再生能源材料协同创新中心正在对三维石墨烯材料的应用扩展到车体轻量化领域,实验室研究表明三维石墨烯在车体轻量化增强材料方面有巨大的应用前景。

  “我们拟用3D石墨烯超增强因子,制备超轻超强高分子纳米复合材料。”沈培康教授表示,通过将石墨烯整合到复合材料,在车体结构中,特别是在承载车体中,取代或部分代替超强钢构件和高强钢构件和替代铝合金构件,以实现降低车体的自身重量,提高车体的可设计性和安全性;部件的易生产性,降低成本以及提高燃油效率或提高电动汽车的续航能力等。

  促进广西石墨烯产业新发展

  在平台建设方面,球差电镜等大型仪器已陆续就位;在石墨烯批量制备方面,目前正在筹建中试生产示范车间,年产预计10吨;在石墨烯大规模应用方面,已与广州汽车集团和广西睿奕新能源建立了紧密的技术合作,分别合作研发石墨烯增强车体材料,车用动力锂硫电池、燃料电池和特种锂一次性电池……广西大学可再生能源材料协同创新中心自成立以来,已在三维石墨烯应用研发方面取得了一系列成果。

  “下一步,我们将通过成立石墨烯研究院;建立中试生产示范基地和石墨烯产业园;培养和引进石墨烯专业人才;创建广西石墨烯产业联盟,建立协同合作机制等举措,努力将广西打造成为世界粉末石墨烯生产和大规模应用基地。”沈培康教授说。

  目前,石墨烯产业的发展前景已引起广西自治区的重视。

  “可再生能源材料协同创新中心是支优秀的研究团队,对石墨烯有独到研究,在业界占领了一席之地,大有可为。”近日,广西壮族自治区党委常委、自治区常务副主席唐仁健到广西大学可再生能源材料协同创新中心调研时表示,既要抓好石墨烯基础理论研究,也要把技术推向市场,尽快形成产业。自治区政府将优先支持石墨烯产学研项目,在科研经费、人才引进、产业园区规划建设等方面给予倾斜,推动广西新能源材料创新尽早取得新突破。

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