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        依托材料創新,發展低碳技術

        作者:
        來源:
        2021/07/19 11:07
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        【摘要】:

          邵國勝 國家特聘專家、鄭州大學教授、鄭州新世紀材料基因組工程研究院院長

          當今世界面臨的最重要危機之一,是由于日益急劇增加的礦物能源消耗所造成的溫室效應引起的冰川加速消融、全球氣候反常、生態環境日益惡化。因此,發展先進低碳技術、開拓清潔能源、消除環境污染,已經成為全人類面臨的最迫切的任務。發展先進能源與環保材料,則是開發清潔能源、實現低碳制造、提高能源利用效率、保證能源技術安全的基石。

          作為負責任的大國,中國政府于2021年首次將“碳達峰、碳中和”寫入政府工作報告,體現了國家構建清潔能源社會的決心和毅力。我個人一直十分關心環境清潔、致力于發展低碳新材料技術。在英國高校工作期間,積極參與發起了英國材料學會可持續能源材料工作組(SMEET),創建了博爾頓大學新能源與環境材料技術研究所,并借鑒其成功模式,于鄭州大學籌建了研究中心,入選國家級低碳環保材料國際聯合研究中心(2015);在地方政府支持下,發起了鄭州新世紀材料基因組工程研究院(簡稱鄭材基因院,2016),入選代表中原先進制造標桿的河南省首批重大新型研發機構(2018),成為鄭洛新國家級自主創新示范區衛星輻射單位、產學研博士后站、鄭州大學研究生創新基地,致力于產學研一體化的新能源與環境材料技術創新;依托鄭州大學“雙一流”學科建設,順勢發展了新能源材料與器件新工科專業,目前已有三屆國際化本科生在讀;依托國際聯合研究中心,設立了省外籍杰出科學家工作室、謀劃構建國際能源材料知識樞紐,啟動了與英國薩里等海外大學聯合培養博士研究生項目(2018 -),為實現國家“雙碳”戰略目標奠定從本科到碩、博研究生的人才基礎;領銜發起了由鄭州大學主辦、與Wiley合作出版的英文期刊Energy & Environmental Materials(簡稱EEM,中文名稱為《能源與環境材料》,2018 -),組建了由一流專家學者組成的國際化編委,探索“學科、期刊、人才”一體化協同發展機制,期刊經過不到3年的努力,已經成為國際材料綜合前10%一區刊物(2020年首個影響因子超過15)、入選國家期刊梯度計劃T1系列。

          自2016年我辭去英國教職,全職回國服務以來,我們團隊本著“著眼國際前沿,立足中國制造,外引內聯,產學研一體化”的主旨,重點發展對新能源、環境凈化技術密切相關的新材料、開拓新應用。我們依托鄭材基因院,以“裁剪材料學”為基礎的材料基因組工程方法為指導,如裁縫量體裁衣般、加速性能指標導向的新材料的發展進程。我們不僅十分關心再生能源技術、低碳能源材料,同時也十分重視碳資源的升級應用,發展“以碳治碳、化碳為寶”的先進制造技術。

          我們發展碳基能源環保材料的首項重要突破,是發明了綠色環保量產“(幾乎)無缺陷”石墨烯粉體的技術,為發展各類高端石墨烯應用技術,奠定了扎實的材料基礎。被譽為“超級材料”的石墨烯,是已知的最薄、最堅韌的納米材料,它幾乎完全透明、質輕、結構穩定,且具有超強的導電導熱性能,在高精尖制造業領域具有巨大的應用潛力,是一種輻射性極強、極具戰略意義的“顛覆性材料”。目前國際傳統石墨烯粉體制造技術存在“三高一低”問題:主流氧化還原技術雖然比較適于規?;a,但生產過程度污染環境、產品缺陷率極,不宜用于高性能領域。英國電弧法技術雖然能夠制備結構接近石墨烯的納米角,生產率卻極(單機年產率僅200來公斤)、成本昂,嚴重阻礙了石墨烯的工業化應用。我們的技術發明,在國際上獨樹一幟、真正實現了用清潔辦法一步制造出優質石墨烯粉體的目標。其制備過程能耗不到電弧法的1%,產品質量明顯優于電弧法,成本不到其千分之五,能耗相當的單機年產能可達數十噸。

          我們依托本院優質石墨烯粉體材料技術,發展了一系列低碳新能源、環保應用技術,主要技術成就包括:利用石墨烯代替石墨做電池負極材料,將石墨烯與非嵌入式正極材料復合,研制出較為成熟的金屬離子電池,儲能密度成倍提高,充放電速度更快,使用更安全。我們針對PM2.5的重要來源,汽車尾氣排放、餐飲業及工業煙霧排放等,研發出了高效柔性功能化石墨烯煙塵過濾膜;并積極發展石墨烯材料在大規?;瘜W儲能、能源轉換、健康致熱、電磁屏蔽、海水防腐、重載潤滑、環境傳感、水體清潔等領域的應用技術。

          在規?;┍∧ぶ圃旆矫?,我們發明了高通量廣域等離子體輔助化學氣相沉積技術,首次實現了低溫(低能耗)、無催化大面積生長垂直石墨烯材料,示范了其代替貴金屬作燃料電池催化膜、金屬離子電池電極、金屬空氣電池等方面的優異效果。

          在生物質低碳應用方面,我們也在發展通過其碳化制備納米材料的技術,為杜絕秸稈等燃燒處理、實現農林生物質材料綜合利用開拓新路。

          針對鋰離子電池為代表的金屬離子電池的安全隱患問題,我們致力于設計并制備固態離子電池的關鍵材料,在包括電極材料與超級固態電解質方面,布局了一批核心發明專利,引起包括日本在內國際電池業的積極關注。

          目前,我們依托系列核心發明,正在致力探索一條由原創科技引領的“一院(研究院)、一園(科技園)、 一產業(板塊)”協同創新發展模式,依托自主材料及制備技術,簽約建設鄭州碳谷科技園,期望依托河南省日益完善的政商創業環境,打造中原創新驅動的“綠色材料”科技、產業基地,為盡早實現碳中和目標,做出應有的貢獻。

          幾年來攜太太回國發展,初步實現了我們科技報效父母之邦的初衷,能夠融入中華民族的偉大復興運動、盡一份炎黃子孫的綿薄之力,我感到由衷的欣慰與驕傲。立足中國的科技教育事業前途遠大,“路漫漫其修遠兮,吾將上下而求索”。

                                                                                                            2021.7.11

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