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碳基纳米材料:助力战略新兴产业发展

2020-07-31     来源:《中国石化》杂志2020年第7期
石化新闻

    ——访中国石化新能源所所长荣峻峰

    本刊记者 赵洪锋 许帆婷

    石墨烯、碳纳米管……近年来,这些耳熟能详的名字成为全球新材料界的宠儿,它们都是碳基纳米材料家族的成员。

    碳基纳米材料有什么样的特性,它们的研究和产业化应用前景如何?发展碳基纳米材料对中国石化打造世界领先的洁净能源和合成材料公司有何重要意义?近日,本刊记者就这些问题采访了中国石化新能源所所长荣峻峰。

    石油石化产业向绿色低碳转变的关键技术

    记者:什么是碳基纳米材料,它具有什么样的特性?能举几个例子吗?

    荣俊峰:碳是构成人类社会能源和材料的重要基石。碳原子无论以哪种方式键合,当其尺度达到纳米级水平时(<100纳米)会呈现出独特的、丰富的结构与性质,构成一系列具有广阔应用前景的碳基纳米材料。

    在碳基纳米材料领域先后诞生了2项诺贝尔奖。比较有代表性的碳基纳米材料有巴基球C60、石墨烯、碳纳米管,以及近年来涌现的碳量子点、碳包覆金属纳米材料等,它们在催化、新能源、吸附环保、高性能复合材料、生物医用材料及光电子新材料等领域具有巨大的应用潜力,是支撑众多战略新兴技术发展的关键材料。

    2015年10月23日国家主席习近平参观英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院时指出,在当前新一轮产业升级和科技革命大背景下,新材料产业必将成为未来高新技术产业发展的基石和先导,对全球经济、科技、环境等各个领域发展产生深刻影响。

    石墨烯和碳纳米管就是碳基纳米材料中人们认识较为深入、发展较为充分的两类碳基纳米材料,他们均可以从石油资源中制取。石墨烯(Graphene)是一种新型二维平面纳米材料,最早由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•盖姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫从层状结构的石墨中用胶带剥离出来,两人也在2010年获得诺贝尔物理学奖。

    石墨烯优异的电、光、强度等性质使其在纳米电子、微纳米器件、超高速计算机芯片、超强复合材料、传感器、能量储存与转换、催化等领域有着重要的应用前景。凭借其特殊的物理结构和特质,石墨烯在多个领域都将带来革命性的变革,一旦量产将成为下一个万亿元级的产业。

    中国石墨烯产业未来十年的发展总体目标是“2020 年形成百亿产业规模,2025 年整体产业规模突破千亿元”。《“十三五”国家科技创新规划》中指出,要发展新材料技术。发展先进功能材料,以石墨烯和高端碳纤维为代表的先进碳材为前沿材料的突破口,抢占材料前沿制高点。

    碳纳米管是石墨烯的孪生兄弟,也是一种代表性的碳纳米材料,是目前研究最充分也是倍受关注的纳米材料,技术成熟,已经初步进入产业化发展阶段。碳纳米管同样具有一系列优异的性能,如极高的杨氏模量和极高的强度、优异的导电性能,独特的表面和吸附性能,极高的导热率,以及优异的催化性能和场致发射能力等,在未来超强纤维、透明显示、半导体产业,以及航天航空等领域有着巨大的应用潜力。

    记者:碳基纳米材料对能源行业有什么意义?对这个产业的效能提升、绿色环保等能够发挥什么样的作用?

    荣俊峰:碳基纳米材料是实现传统石油石化产业向绿色低碳转变的重要技术支撑之一。石油加工过程是一个将碳基资源中的碳氢元素重构的过程,碳基纳米材料可以为这一过程提供更高效、更绿色的催化材料,实现石油分子的精确转变。另一方面,重质油、劣质油也是合成碳基纳米材料的宝贵原料,这一领域的突破将为重/劣质油加工提供新的、低碳化的思路,甚至重构新的产业链。

    产品的多样化和高价值化是炼油产业发展的方向,而碳氢键的活化是实现小分子烷烃转化、进而实现高价值化的关键。2001年,人们首次发现纳米碳纤维作为催化剂可实现乙苯的氧化脱氢反应,在547 摄氏度下纳米碳纤维催化活性高于高分散石墨,稳定性远远优于无定形的工业炭黑。随后人们发现,无金属的纳米碳在碳氢键的催化活化等小分子催化活化方面具有巨大的潜力。将炼油过程中副产的丙烷、丁烷等廉价的低碳烷烃转化为丙烯、丁烯、丁二烯等高价值产品具有十分重要的意义。开发能够高效活化碳氢键的新催化材料是这一领域创新发展的关键。

    纳米碳材料不但拥有传统催化材料的一系列优点,而且还具有原料来源广泛、耐酸碱性、孔结构及表面化学性质可调变、抗积碳、具有独特的金属/半导体导电性等优点,使其在加氢、脱氢和择形催化、电催化等反应中具有很大的应用潜力。

    此外,氢能的发展同样离不开碳基纳米材料。氢能产业链中的众多关键材料的发展,从电解水催化剂、燃料电池催化剂和扩散层材料、到储氢材料都依赖于高性能的碳基纳米材料的进步。

    产业化最大瓶颈在于未出现颠覆性产品

    记者:碳基纳米材料的研究和产业化应用目前处于什么阶段?

    荣俊峰:碳基纳米材料的新结构、新性质、新应用是基础研究的热点前沿领域。在产业化方面,碳基纳米材料尚处于培育期,部分领域已进入产业化导入阶段。

    石墨烯在石油石化行业中的发展潜力巨大,在低排放和差异化石墨烯制备、石墨烯复合材料、能源转化器件(电池、电容器)、石墨烯润滑材料、石墨烯催化材料、石墨烯水处理材料等领域均可形成新的技术和效益增长点。然而,石墨烯制备与应用技术还没有成熟,生产技术、产品质量和下游市场开发方面仍存在巨大的提升空间。

    石墨烯产业最大的瓶颈在于还没有形成完整的产业链,还未出现具有颠覆性的实用产品,但是在一些相对成熟领域的应用已经越来越明朗,如复合材料、防腐涂料、显示产业等领域都有着非常不错的发展势头。在石墨烯产业形成之前,首先需要突破功能化、差别化的石墨烯制备及相关应用关键技术。

    目前以低碳烃类为碳源利用化学气相沉积法已能实现碳纳米管的工业生产,在高端导电添加剂领域已实现应用,其应用领域也在不断拓展。实现碳纳米管生长的控制从而精准调控碳纳米管的缺陷、结构和聚集态排列是该领域的主要科学问题,一旦取得突破将引领多个战略新兴技术的快速发展。

    助力“一基两翼三新”发展格局

    记者:对于中国石化这样致力于洁净能源和合成材料的全球化能源化工公司来说,研发碳基纳米材料有什么意义?未来在什么领域能让它发挥更大的作用?

    荣俊峰:石油是碳基的资源和能源,传统的石油化工产业支撑了现代社会的能源与合成材料。进入21世纪以来,绿色发展、可持续发展和转变经济发展方式的要求日益迫切,而碳基纳米材料是实现这一转变的重要切入点。

    今年3月,张玉卓董事长提出“一基两翼三新”的发展战略,中国石化要“着力构建以能源资源为基础,以洁净能源和合成材料为两翼,以新能源、新经济、新领域为重要增长点的‘一基两翼三新’发展格局,打造世界领先的洁净能源和合成材料公司”。碳基纳米材料在新能源、新经济和新领域中大有作为。

    制备决定结构、结构决定性质,制备与性质决定未来!结构的丰富性、性质的多样性决定了碳基纳米材料在新能源、新材料等战略新兴技术中有着广阔的应用前景。从石油、煤、生物质等碳基资源制备碳基纳米材料是转型发展和实现绿色可持续发展的重要途径。精确控制碳基纳米材料的结构与组成是实现其高性能化的关键。在未来的场景中,从石油资源出发,通过新一代加工技术,可以提供种类繁多、应用广泛的“碳基纳米材料”,助力新能源等战略新兴产业的发展。


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