碳基納米材料：助力戰略新興產業發展
——訪中國石化新能源研究所所長榮峻峰

□ 趙洪峰 許帆婷

新能源研究所科研人員在實驗室討論數據。王厚鵬 趙洪峰 攝影報道

石墨烯、碳納米管……近年來，這些耳熟能詳的名字成為全球新材料界的寵兒，它們都是碳基納米材料家族的成員。

碳基納米材料有什么樣的特性，它們的研究和產業化應用前景如何？發展碳基納米材料對中國石化打造世界領先潔凈能源化工公司，構建“一基兩翼三新”格局，有何重要意義？近日，本刊記者就這些問題采訪了中國石化新能源所所長榮峻峰。

石油石化產業向綠色低碳轉變的關鍵技術

記者：什么是碳基納米材料，它具有什么樣的特性？能舉幾個例子嗎？

榮俊峰：碳是構成人類社會能源和材料的重要基石。碳原子無論以哪種方式鍵合，當其尺度達到納米級水平時（＜100納米）會呈現出獨特的、豐富的結構與性質，構成一系列具有廣闊應用前景的碳基納米材料。

在碳基納米材料領域先后誕生了2項諾貝爾獎。比較有代表性的碳基納米材料有巴基球C60、石墨烯、碳納米管，以及近年來涌現的碳量子點、碳包覆金屬納米材料等，它們在催化、新能源、吸附環保、高性能復合材料、生物醫用材料及光電子新材料等領域具有巨大的應用潛力，是支撐眾多戰略新興技術發展的關鍵材料。

2015年10月23日國家主席習近平參觀英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究院時指出，在當前新一輪產業升級和科技革命大背景下，新材料產業必將成為未來高新技術產業發展的基石和先導，對全球經濟、科技、環境等各個領域發展產生深刻影響。

石墨烯和碳納米管就是碳基納米材料中人們認識較為深入、發展較為充分的兩類碳基納米材料，他們均可以從石油資源中制取。石墨烯（Graphene）是一種新型二維平面納米材料，最早由英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從層狀結構的石墨中用膠帶剝離出來，兩人也在2010年獲得諾貝爾物理學獎。

石墨烯優異的電、光、強度等性質使其在納米電子、微納米器件、超高速計算機芯片、超強復合材料、傳感器、能量儲存與轉換、催化等領域有著重要的應用前景。憑借其特殊的物理結構和特質，石墨烯在多個領域都將帶來革命性的變革，一旦量產將成為下一個萬億元級的產業。

中國石墨烯產業未來發展總體目標是“2020年形成百億產業規模，2025年整體產業規模突破千億元”。《“十三五”國家科技創新規劃》中指出，要發展新材料技術。發展先進功能材料，以石墨烯和高端碳纖維為代表的先進碳材為前沿材料的突破口，搶占材料前沿制高點。

碳納米管是石墨烯的孿生兄弟，也是一種代表性的碳納米材料，是目前研究最充分也是備受關注的納米材料，技術成熟，已經初步進入產業化發展階段。碳納米管同樣具有一系列優異的性能，如極高的楊氏模量和極高的強度、優異的導電性能，獨特的表面和吸附性能，極高的導熱率，以及優異的催化性能和場致發射能力等，在未來超強纖維、透明顯示、半導體產業，以及航天航空等領域有著巨大的應用潛力。

記者：碳基納米材料對能源行業有什么意義？對這個產業的效能提升、綠色環保等能夠發揮什么樣的作用？

榮俊峰：碳基納米材料是實現傳統石油石化產業向綠色低碳轉變的重要技術支撐之一。石油加工過程是一個將碳基資源中的碳氫元素重構的過程，碳基納米材料可以為這一過程提供更高效、更綠色的催化材料，實現石油分子的精確轉變。另一方面，重質油、劣質油也是合成碳基納米材料的寶貴原料，這一領域的突破將為重/劣質油加工提供新的、低碳化的思路，甚至重構新的產業鏈。

產品的多樣化和高價值化是煉油產業發展的方向，而碳氫鍵的活化是實現小分子烷烴轉化、進而實現高價值化的關鍵。2001年，人們首次發現納米碳纖維作為催化劑可實現乙苯的氧化脫氫反應，在547攝氏度下納米碳纖維催化活性高于高分散石墨，穩定性遠遠優于無定形的工業炭黑。隨后人們發現，無金屬的納米碳在碳氫鍵的催化活化等小分子催化活化方面具有巨大的潛力。將煉油過程中副產的丙烷、丁烷等廉價的低碳烷烴轉化為丙烯、丁烯、丁二烯等高價值產品具有十分重要的意義。開發能夠高效活化碳氫鍵的新催化材料是這一領域創新發展的關鍵。

納米碳材料不但擁有傳統催化材料的一系列優點，而且還具有原料來源廣泛、耐酸堿性、孔結構及表面化學性質可調變、抗積炭、具有獨特的金屬/半導體導電性等優點，使其在加氫、脫氫和擇形催化、電催化等反應中具有很大的應用潛力。

此外，氫能的發展同樣離不開碳基納米材料。氫能產業鏈中的眾多關鍵材料的發展，從電解水催化劑、燃料電池催化劑和擴散層材料到儲氫材料都依賴于高性能的碳基納米材料的進步。

產業化最大瓶頸在于未出現顛覆性產品

記者：碳基納米材料的研究和產業化應用目前處于什么階段？

榮俊峰：碳基納米材料的新結構、新性質、新應用是基礎研究的熱點前沿領域。在產業化方面，碳基納米材料尚處于培育期，部分領域已進入產業化導入階段。

石墨烯在石油石化行業中的發展潛力巨大，在低排放和差異化石墨烯制備、石墨烯復合材料、能源轉化器件（電池、電容器）、石墨烯潤滑材料、石墨烯催化材料、石墨烯水處理材料等領域均可形成新的技術和效益增長點。然而，石墨烯制備與應用技術還沒有成熟，生產技術、產品質量和下游市場開發方面仍存在巨大的提升空間。

幾種常見的碳基納米材料。趙洪峰 供圖

石墨烯產業最大的瓶頸在于還沒有形成完整的產業鏈，還未出現具有顛覆性的實用產品，但是在一些相對成熟領域的應用已經越來越明朗，如復合材料、防腐涂料、顯示產業等領域都有著非常不錯的發展勢頭。在石墨烯產業形成之前，首先需要突破功能化、差別化的石墨烯制備及相關應用關鍵技術。

目前以低碳烴類為碳源利用化學氣相沉積法已能實現碳納米管的工業生產，在高端導電添加劑領域已實現應用，其應用領域也在不斷拓展。實現碳納米管生長的控制從而精準調控碳納米管的缺陷、結構和聚集態排列是該領域的主要科學問題，一旦取得突破將引領多個戰略新興技術的快速發展。

助力“一基兩翼三新”發展格局

記者：對于中國石化這樣致力于潔凈能源和合成材料的全球化能源化工公司來說，研發碳基納米材料有什么意義？未來在什么領域能讓它發揮更大的作用？

榮俊峰：石油是碳基的資源和能源，傳統的石油化工產業支撐了現代社會的能源與合成材料。進入21世紀以來，綠色發展、可持續發展和轉變經濟發展方式的要求日益迫切，而碳基納米材料是實現這一轉變的重要切入點。

今年3月，張玉卓董事長提出“一基兩翼三新”的發展戰略，中國石化要“著力構建以能源資源為基礎，以潔凈能源和合成材料為兩翼，以新能源、新經濟、新領域為重要增長點的‘一基兩翼三新’發展格局，打造世界領先的潔凈能源和合成材料公司”。碳基納米材料在新能源、新經濟和新領域中大有作為。

制備決定結構、結構決定性質，制備與性質決定未來！結構的豐富性、性質的多樣性決定了碳基納米材料在新能源、新材料等戰略新興技術中有著廣闊的應用前景。從石油、煤、生物質等碳基資源制備碳基納米材料是轉型發展和實現綠色可持續發展的重要途徑。精確控制碳基納米材料的結構與組成是實現其高性能化的關鍵。在未來的場景中，從石油資源出發，通過新一代加工技術，可以提供種類繁多、應用廣泛的“碳基納米材料”，助力新能源等戰略新興產業的發展。