依托材料创新，发展低碳技术
发布时间：
2021-07-19 11:07
【摘要】：
邵国胜 国家特聘专家、郑州大学教授、郑州新世纪材料基因组工程研究院院长
当今世界面临的最重要危机之一，是由于日益急剧增加的矿物能源消耗所造成的温室效应引起的冰川加速消融、全球气候反常、生态环境日益恶化。因此，发展先进低碳技术、开拓清洁能源、消除环境污染，已经成为全人类面临的最迫切的任务。发展先进能源与环保材料，则是开发清洁能源、实现低碳制造、提高能源利用效率、保证能源技术安全的基石。
作为负责任的大国，中国政府于2021年首次将“碳达峰、碳中和”写入政府工作报告，体现了国家构建清洁能源社会的决心和毅力。我个人一直十分关心环境清洁、致力于发展低碳新材料技术。在英国高校工作期间，积极参与发起了英国材料学会可持续能源材料工作组(SMEET)，创建了博尔顿大学新能源与环境材料技术研究所，并借鉴其成功模式，于郑州大学筹建了研究中心，入选国家级低碳环保材料国际联合研究中心(2015);在地方政府支持下，发起了郑州新世纪材料基因组工程研究院(简称郑材基因院，2016)，入选代表中原先进制造标杆的河南省首批重大新型研发机构(2018)，成为郑洛新国家级自主创新示范区卫星辐射单位、产学研博士后站、郑州大学研究生创新基地，致力于产学研一体化的新能源与环境材料技术创新;依托郑州大学“双一流”学科建设，顺势发展了新能源材料与器件新工科专业，目前已有三届国际化本科生在读;依托国际联合研究中心，设立了省外籍杰出科学家工作室、谋划构建国际能源材料知识枢纽，启动了与英国萨里等海外大学联合培养博士研究生项目(2018 -)，为实现国家“双碳”战略目标奠定从本科到硕、博研究生的人才基础;领衔发起了由郑州大学主办、与Wiley合作出版的英文期刊Energy & Environmental Materials(简称EEM，中文名称为《能源与环境材料》，2018 -)，组建了由一流专家学者组成的国际化编委，探索“学科、期刊、人才”一体化协同发展机制，期刊经过不到3年的努力，已经成为国际材料综合前10%一区刊物(2020年首个影响因子超过15)、入选国家期刊梯度计划T1系列。
自2016年我辞去英国教职，全职回国服务以来，我们团队本着“着眼国际前沿，立足中国制造，外引内联，产学研一体化”的主旨，重点发展对新能源、环境净化技术密切相关的新材料、开拓新应用。我们依托郑材基因院，以“裁剪材料学”为基础的材料基因组工程方法为指导，如裁缝量体裁衣般、加速性能指标导向的新材料的发展进程。我们不仅十分关心再生能源技术、低碳能源材料，同时也十分重视碳资源的升级应用，发展“以碳治碳、化碳为宝”的先进制造技术。
我们发展碳基能源环保材料的首项重要突破，是发明了绿色环保量产“(几乎)无缺陷”石墨烯粉体的技术，为发展各类高端石墨烯应用技术，奠定了扎实的材料基础。被誉为“超级材料”的石墨烯，是已知的最薄、最坚韧的纳米材料，它几乎完全透明、质轻、结构稳定，且具有超强的导电导热性能，在高精尖制造业领域具有巨大的应用潜力，是一种辐射性极强、极具战略意义的“颠覆性材料”。目前国际传统石墨烯粉体制造技术存在“三高一低”问题：主流氧化还原技术虽然比较适于规模化生产，但生产过程高度污染环境、产品缺陷率极高，不宜用于高性能领域。英国电弧法技术虽然能够制备结构接近石墨烯的纳米角，生产率却极低(单机年产率仅200来公斤)、成本高昂，严重阻碍了石墨烯的工业化应用。我们的技术发明，在国际上独树一帜、真正实现了用清洁办法一步制造出优质石墨烯粉体的目标。其制备过程能耗不到电弧法的1%，产品质量明显优于电弧法，成本不到其千分之五，能耗相当的单机年产能可达数十吨。
我们依托本院优质石墨烯粉体材料技术，发展了一系列低碳新能源、环保应用技术，主要技术成就包括：利用石墨烯代替石墨做电池负极材料，将石墨烯与非嵌入式正极材料复合，研制出较为成熟的金属离子电池，储能密度成倍提高，充放电速度更快，使用更安全。我们针对PM2.5的重要来源，汽车尾气排放、餐饮业及工业烟雾排放等，研发出了高效柔性功能化石墨烯烟尘过滤膜;并积极发展石墨烯材料在大规模化学储能、能源转换、健康致热、电磁屏蔽、海水防腐、重载润滑、环境传感、水体清洁等领域的应用技术。
在规模化石墨烯薄膜制造方面，我们发明了高通量广域等离子体辅助化学气相沉积技术，首次实现了低温(低能耗)、无催化大面积生长垂直石墨烯材料，示范了其代替贵金属作燃料电池催化膜、金属离子电池电极、金属空气电池等方面的优异效果。
在生物质低碳应用方面，我们也在发展通过其碳化制备纳米材料的技术，为杜绝秸秆等燃烧处理、实现农林生物质材料综合利用开拓新路。
针对锂离子电池为代表的金属离子电池的安全隐患问题，我们致力于设计并制备固态离子电池的关键材料，在包括电极材料与超级固态电解质方面，布局了一批核心发明专利，引起包括日本在内国际电池业的积极关注。
目前，我们依托系列核心发明，正在致力探索一条由原创科技引领的“一院(研究院)、一园(科技园)、 一产业(板块)”协同创新发展模式，依托自主材料及制备技术，签约建设郑州碳谷科技园，期望依托河南省日益完善的政商创业环境，打造中原创新驱动的“绿色材料”科技、产业基地，为尽早实现碳中和目标，做出应有的贡献。
几年来携太太回国发展，初步实现了我们科技报效父母之邦的初衷，能够融入中华民族的伟大复兴运动、尽一份炎黄子孙的绵薄之力，我感到由衷的欣慰与骄傲。立足中国的科技教育事业前途远大，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。
2021.7.11