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2。 碳纳米材料最具发展潜力的新型材料
时间：2010…09 来源：中国化工情报信息协会
以富勒烯、石墨烯和碳纳米管为主的碳纳米材料，是本世纪最具发展潜力的新型材料。令人骄傲的是，我国碳纳米材料研究起步较早，凭借一批颇具影响力的科研创新成果，赢得该领域国际话语权。
中科院化学所王春儒研究员介绍：“纳米科学与技术的快速发展，在很大程度上得益于20世纪80年代以来发现的富勒烯、纳米管等碳纳米材料，以及近年来涌现的石墨烯、纳米角、石墨炔等新材料。反过来，纳米科技的发展也为碳纳米材料提供着越来越便利的研究利器。二者相辅相成、共生共荣。”
作为纳米科研最重要、最活跃的领域之一，碳纳米科技在经历上世纪90年代的高潮后，如今已进入较为成熟的研究阶段，相关成果得以广泛应用。如今，富勒烯的形成机理已经基本明确，在现代科技和高技术产业方面实现了产业化。其它碳纳米材料如碳纳米管、石墨烯等研究也如火如荼。
中科院福建物构所洪茂椿院士称：“纳米技术的高速发展给催化剂材料研究带来了新的机遇和挑战。”他表示，假如碳纳米催化材料能在化石资源的高效利用、节能减排研究中取得突破，将产生巨大的经济和社会效益。特别是在煤制乙二醇的工业化生产过程中；碳纳米管复合金属纳米材料对于催化性能的提高效果显著。
王春儒认为，越来越多的富勒烯产品在生物医学、日常生活以及工业上得到大范围应用；碳纳米管在复合材料、光电材料方面获得广泛应用；石墨烯在高强度复合材料、半导体器件中具有潜在应用价值等。他强调：“今后在碳纳米材料科研领域，应更加注重应用层面的研究。”
碳纳米材料在生物医学领域的应用研究进展迅速，尤其是将其用于肿瘤的诊断和治疗，已经形成一个崭新的前沿领域——肿瘤纳米技术。中科院高能所赵宇亮教授指出：“已有研究表明，低剂量金属富勒烯纳米颗粒对肝癌和乳腺癌生长的抑制效果，远好于目前临床使用的抗肿瘤药物，且无毒副作用。但是，如何利用或克服碳纳米材料与生命过程相互作用所带来的新生物效应，是今后需要解决的难题。”
结合碳纳米材料的应用空间与开发状况，王春儒指出：“工业化生产是碳纳米材料应用研究的基础，而目前其工业化生产问题还没有完全解决。”他认为，对于富勒烯纳米材料而言，应加强产业化研究，努力做到低成本、高产率地生产；对于碳纳米管而言，应加强高纯度、少缺陷制备技术的探索；对于石墨烯类纳米材料而言，则要攻克大规模制备的技术瓶颈。
后期开发锁定七大重点
根据中科院金属所成会明研究员的总结，碳纳米材料开发应该包括五个方向：发展新型碳纳米材料及其结构设计、性能预测和可控制备科学；建立碳纳米材料精细结构和物性的表征方法与技术；揭示碳纳米材料结构与性能的关系；开拓碳纳米材料在清洁能源、纳电子、航空航天、交通运输等领域的应用；推动碳纳米材料的科技发展和规模应用。
王春儒补充指出，应该注重研究不同种类碳纳米材料间的相互转化。譬如，已经发现石墨在高温氦气氛下可转变为富勒烯、纳米管、石墨烯、纳米角、纳米葱等，富勒烯在高温条件下可以转化成纳米管，石墨、富勒烯和纳米管在高温、高压条件下可以转化为金刚石；金刚石在一定条件下可以形成纳米管；纳米管在酸性条件下则会转变成石墨烯等。他表示：“这些材料之间的相互转化，为深入理解进而可控制备碳纳米材料提供了重要信息。”
大连理工大学的邱介山教授则认为，功能性碳纳米材料的低成本可控制备是国内外关注的富有挑战性的课题。他介绍了一种以廉价的煤炭为原料，实现特定结构和性能的碳纳米材料结构调控的策略。实际上；以煤作为碳源制备碳纳米材料的基本思路，就是利用过程工程技术手段，用煤炭中芳香性的基本结构单元来构筑功能性碳纳米材料。这方面的探索，对于实现碳纳米材料的低成本制备颇具意义。
1、 富勒烯：“纳米王子”造就新奇材料
富勒烯具有不寻常的特性，其代表性成员C60等更被誉为“纳米王子”。由于富勒烯的硬度比钻石还高，韧度是钢的100倍，导电性超过铜而重量只有铜的六分之一，使其成为许多高新技术领域应用潜力巨大、不可替代的材料，今后在无金属电线、建筑物骨架、防弹背心、汽车外壳等领域也将出现它的身影。
超常性能带来传奇增长
美国市场调查公司BCC称，2006年全球富勒烯的市场价值是9200万美元，此后约以70％的年均速度实现滚雪球式增长，到2011年将达到13。1亿美元，到2016年则有可能超过47亿美元的规模。
作为该领域的权威专家，中科院化学所王春儒研究员表示：“诸多异乎寻常的性能，使富勒烯对化学、物理、材料、医药、微电子等领域产生了深远影响，在应用方面显示出诱人前景。”
在工业应用中，富勒烯添加剂可以使润滑油寿命延长30％；富勒烯与碱金属形成的复合体系是优良的高温超导材料，其超导临界温度高达46K；基于C60光电导性能的光电开关和光学玻璃已研制成功；以富勒烯为关键材料的有机太阳能电池光电转换效率达到6。5％。此外，C60还能够在半导体、催化剂、蓄电池材料等领域得到深入应用。
在生命科学方面，基于富勒烯的磁共振造影剂、治疗癌症的新型药剂正在快速发展。C60是一种很强的抗氧化物质，人们已开发出可以用在保养品中的富勒烯，为人类抗肌肤老化带来福音。
王春儒告诉记者：“我国科学家在富勒烯和金属富勒烯领域的理论研究、功能化研究、结构表征以及形成机理等方面，取得了一些在国际上具有较大影响的创新成果，在国际上掌握了一定的话语权。”
中科院化学所投资500万元建设的富勒烯实验室是眼下国内最好的富勒烯研究基地。该所与沈阳科友公司联合开发的富勒烯及内嵌金属富勒烯实验室制备装置已平稳运行6年，并被推广到国内多所大学。他们与西南科技大学、中橡集团炭黑研究院联合研制的富勒烯工业化生产装置可以年产100千克C60和10千克C70，打破了国外对富勒烯燃烧法制备技术的垄断，为我国富勒烯科研和应用提供了充分的材料和技术。
目前，科学家们已经基本明确富勒烯的形成机理，并合成分离了小至C20、大至C240的富勒烯。2004年，厦门大学谢素原教授与王春儒研究员合作，采用在生成富勒烯过程中引入氯原子的方式，第一次将活泼的C50用氯原子稳定下来，成为该领域的一项重要突破。浙江大学与美国加利福尼亚大学合作，成功合成出世界上最小碳纳米管结构的富勒烯C90，同样引起国际科学界的广泛关注。
王春儒表示，2008年以前，国际富勒烯市场主要由日本、美国、欧盟国家和俄罗斯控制，中国的占有率基本为零。到2009年，随着煤燃烧富勒烯合成项目的建成，我国吨量级富勒烯的生产成本已处于较低水平。他肯定地说：“国内产业界的发展目标是在最近几年占据全球市场35％的份额，届时中国有望成为国际市场的领军者。”
降低成本力争商品化
王春儒介绍：“富勒烯已在电子器件、功能塑料、电解质和医药等方面得到实际应用，不久之后还将诞生非金属电缆、非金属电路板等富勒烯产品。然而，这些应用均未达到商品化程度，在其商业化应用之前尚需解决许多问题。”
不稳定性是所有富勒烯应用领域中的共性问题。不过科学家们研究发现，当有金属原子参与或对碳笼表面进行修饰后，不稳定的富勒烯也能稳定下来，由此开辟了该领域研究的新方向。
最为关健的是，目前每克C60富勒烯的市场价格分别为美国20美元、日本20美元、德国30美元、韩国20美元、中国320元，C70的价格更是数倍于此。王春儒强调：“在生产成本没有大幅度降低之前，富勒烯不可能具备竞争力。”由此，开发使用低价原料、连续大规模地生产富勒烯的技术和装置，依然是全球研发重点。
2、 石墨烯：最薄最硬的“未来材料”
用石墨制得的石墨烯堪称人类目前已知的强度最高的物质，发展前景令人神往。它不仅可以开发制造出薄如纸片的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至还能为“太空电梯”缆线的制造打开希望之门。但其前提是必须先解决宏量、可控制备的技术问题。中科院化学所朱道本院士指出，获得大面积、均匀的石墨烯，是石墨烯制备中尚未攻克的难点。通过探索苯类化合物在一定条件下的开环反应合成石墨烯，最有可能率先获得突破。
学科交叉创新空间大
如何制备结构精确可控的石墨烯，是打破其应用瓶颈的关键。中科院金属所成会明研究员提出，利用石墨原料的尺寸与结晶度不同来控制石墨烯层数的策略，可以宏量制备出单层、双层和三层的高质量石墨烯。他的课题组利用电泳沉积方法，已经制备出表面均匀致密的单层石墨烯薄膜。这种石墨烯薄膜具有优良的场发射特性、低开启电场和阈值、良好的场发射稳定性和均匀性。
中科院化学所的王朝晖研究员正考虑用化学合成法制备石墨烯； 从而解决高质量石墨烯的可控制备、石墨烯结构和物性的调控以及石墨烯材料的应用研究等多个关键问题。
“作为近几年飞速发展起来的一种碳纳米材料，石墨烯的研究才刚刚起步，有大量的科学问题等待我们去研究。这是一个创新空间很大的全新领域，更是一个前沿交叉领域，有待不同领域科学家的协同努力。”朱道本对记者说。
当前，我国科研人员正在石墨烯领域开展积极探索。随着其各种特性被陆续发现，相信不久的将来就可以投入大批量、低成本的工业化生产。
中科院物理所王恩哥研究员等采用剥离…再嵌入…扩张的方法，成功制备出高质量石墨烯，并通过LB（单分子或多分子层）膜组装技术制成大面积的透明导电膜，对石墨烯的大规模应用具有重要意义。2009年，中科院化学所的研究人员探索出一种制备图案化石墨烯的方法，并成功将其应用于有机场效应晶体管电极。
还是在2009年，中科院电工所马衍伟研究员等采用对苯二胺还原氧化石墨纳米片的方法，成功制备出高稳定性有机溶剂分散的石墨烯材料，并采用电泳沉积法获得了高导电性的石墨烯薄膜。此方法制备的石墨烯分散性能好、产率高、导电性能好且成本低，有望应用于超级电容器和复合功能材料等领域。
此外，中科院兰州化物所也于今年5月制备出石墨烯薄膜，满足了实际应用中低能耗、低成本和高产量的要求。
高频应用或率先突破
2006～2008年间，石墨烯已被制成弹道输运晶体管和平面场效应管，引起了研究人员的兴趣。业内人士认为，石墨烯很可能首先应用于高频领域，如太赫兹微波成像等。此外，凭借其很高的导电性和透光性，还可用于透明电极、触摸屏、液晶显示、有机光伏电池以及超级电容器等领域。
中科院数字与系统科学研究院的计算结果表明，石墨烯的理想强度为110～121GPa，意味着这是人类已知的最为牢固的材料，可作为添加剂广泛应用到高强度复合材料之中。石墨烯的厚度只有0。335纳米，最突出的特性是电子传输速度极快，还具有很高的化学稳定性和热力学稳定性，有望取代硅在电子产品生产过程中得到广泛应用。
西南科技大学材料科学与工程学院专家表示，基于石墨烯的电路或许要到2025年之后才会出现，在此之前硅电路还会占据主导地位，但前景无疑是乐观的，因为石