生物質(zhì)石墨烯到底是何來頭，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。

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

據(jù)《中國科學(xué)報》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生物質(zhì)石墨烯僅有所耳聞，并未真正接觸過。

生物質(zhì)石墨烯到底是何來頭，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，制備成本普遍過高，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化商業(yè)生產(chǎn)，市場價格在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)有限公司董事長韓玉鳳曾公開對媒體表示，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)為是地球上最有價值、最豐富的可再生資源。在中國，天然纖維素生物質(zhì)的年產(chǎn)率超過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，類石墨烯材料在超級電容器領(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電容器電極材料。為了解決環(huán)境污染以及資源匱乏的問題，利用玉米秸稈為原料發(fā)展簡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)隊在今年3月的一次技術(shù)交流會上這樣表達(dá)研究生物質(zhì)石墨烯的初衷。

付宏剛團(tuán)隊認(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)碳材料研究所所長張金柱告訴《中國科學(xué)報》記者，圣泉集團(tuán)在得知黑龍江大學(xué)付宏剛團(tuán)隊這項生物質(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)為極有潛力和市場價值的技術(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)聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授盧紅斌對《中國科學(xué)報》記者表示，雖然自己沒有參與生物質(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)過高溫處理，對設(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，也仍然是個問題。”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)是一個不錯的思路，在處理農(nóng)作物廢物上，是一個很好的選擇。

“但是，從另外一個角度而言，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。

此外，盧紅斌從環(huán)境角度提出了疑問：“大分子的生物質(zhì)制備石墨烯時，會有許多小分子物質(zhì)釋放出來。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《中國科學(xué)報》記者采訪時也表達(dá)了類似的擔(dān)憂。

需時間和市場檢驗(yàn)

記者帶著相同的疑問找到了張金柱。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)到十幾萬噸。

同時，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)計十月份試生產(chǎn)，而年設(shè)計生產(chǎn)能力為2000噸的全球首個以生物質(zhì)為原料的石墨烯工業(yè)化項目也正在立項申報中。

“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)。按照我們公開的說法，該種方法制備的石墨烯價格可以低到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)了部分問題。

他同時強(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題。”張金柱說。

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)的市場競爭力。

圣泉集團(tuán)也自信地表示：“源于其作為原料的農(nóng)作物秸桿的來源廣泛和價格低廉，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)的競爭優(yōu)勢。”

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

也正如盧紅斌所言，生物質(zhì)石墨烯能否催生萬億級產(chǎn)業(yè)，需要時間和市場來檢驗(yàn)。