專(zhuān)訪富碳納米材料領(lǐng)域代表人物
——智林杰研究員

《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

富碳納米材料是指具有高分子結(jié)構(gòu)特征又具有碳納米材料性能特征的新型納米材料，不僅具有富碳高分子明確的化學(xué)結(jié)構(gòu)與組成，而且其結(jié)構(gòu)單元、分子骨架、孔道與表面結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)種類(lèi)與位置、雜原子的引入與定位等重要的結(jié)構(gòu)特征均可以通過(guò)結(jié)構(gòu)單元的分子設(shè)計(jì)與可控的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)較精確的調(diào)節(jié)與控制。同時(shí)，富碳納米材料也具有碳納米材料的重要性能特點(diǎn)，如良好的導(dǎo)電性、高熱穩(wěn)定性、高比表面積、高電化學(xué)活性等。該類(lèi)材料不僅對(duì)材料學(xué)研究是一個(gè)全新的領(lǐng)域，而且在能源、環(huán)境等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中也具有非常重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

我們有幸采訪了富碳納米材料專(zhuān)家，《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》“石墨烯的功能與應(yīng)用”專(zhuān)刊的客座編輯智林杰研究員，為我們分享他在富碳納米材料方面的研究經(jīng)歷以及富碳納米材料在國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀、應(yīng)用、發(fā)展方向等，并對(duì)富碳納米材料領(lǐng)域面臨的一些重要問(wèn)題進(jìn)行了分析。

問(wèn)題1：智老師好！在您的科研生涯中從事過(guò)哪些方面的研究？您從什么時(shí)候開(kāi)始從事富碳納米材料方面的研究？

回答：我從1997年在中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所讀博士研究生開(kāi)始從事碳基（瀝青）化學(xué)方面的研究工作，2000年到中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所開(kāi)展博士后研究從事高分子化學(xué)方向的研究，2003年到德國(guó)馬普協(xié)會(huì)高分子研究所從事博士后研究工作，開(kāi)創(chuàng)性地將二者相結(jié)合，正式開(kāi)始了富碳納米材料方面的研究，并于2005年開(kāi)始擔(dān)任馬普高分子所課題組組長(zhǎng)，之后一直致力于富碳納米材料的可控制備與應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。

問(wèn)題2：請(qǐng)介紹一下您的課題組在富碳納米材料領(lǐng)域取得的主要成果？

回答：我的課題組長(zhǎng)期從事富碳納米材料的設(shè)計(jì)、構(gòu)建、功能調(diào)控及應(yīng)用研究。1）提出以結(jié)構(gòu)精確的小分子或大分子為基本單元，通過(guò)調(diào)控單元的化學(xué)結(jié)構(gòu)與交聯(lián)反應(yīng)在分子尺度上構(gòu)建結(jié)構(gòu)可控功能可調(diào)的富碳納米材料的研究策略；2）通過(guò)熱化學(xué)途徑實(shí)現(xiàn)富碳共軛網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯化及化學(xué)功能化，以二維富碳高分子結(jié)構(gòu)為單元通過(guò)可控組裝制備具有三維有序結(jié)構(gòu)的富碳高分子納米材料，設(shè)計(jì)和建構(gòu)了具有獨(dú)特化學(xué)雜化結(jié)構(gòu)、骨架結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、復(fù)合界面結(jié)構(gòu)的富碳納米材料；3）提出了富碳結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的維度匹配性概念，開(kāi)辟了一條新的途徑用以構(gòu)建具有良好維度匹配性的全一維、二維富碳復(fù)合電極材料，為厘清化學(xué)摻雜、孔道結(jié)構(gòu)、共軛網(wǎng)絡(luò)等結(jié)構(gòu)信息在電化學(xué)存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化應(yīng)用（超級(jí)電容器、鋰離子電池、電催化等）中的作用機(jī)制提供了一條新的思路；4）發(fā)展了富碳納米材料的連續(xù)化批量制備工藝，建立了基于富碳納米材料在透明導(dǎo)電薄膜、電極材料等應(yīng)用中的評(píng)價(jià)工藝。

問(wèn)題3：請(qǐng)您簡(jiǎn)單回顧一下富碳納米材料領(lǐng)域最近幾年的里程碑進(jìn)展？

回答：近年來(lái)，有兩類(lèi)材料可以看作是富碳納米材料研究的領(lǐng)域里程碑式材料，一類(lèi)是以石墨烯為代表的碳基納米材料，包括石墨烯、碳納米管及富勒烯等，這類(lèi)材料為富碳納米材料的研究與發(fā)展提供了理想的結(jié)構(gòu)平臺(tái)，使得富碳納米材料在這些材料平臺(tái)上通過(guò)自上而下的思路得以向深度和廣度上快速衍生，大大促進(jìn)了富碳納米材料的研究。因此，從材料結(jié)構(gòu)與功能來(lái)講，很多的功能化石墨烯便屬于富碳納米材料的范疇。另外一類(lèi)是以有機(jī)共價(jià)框架結(jié)構(gòu)為代表的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料，這類(lèi)材料為富碳納米材料自下而上的延伸與發(fā)展提供了良好的材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，進(jìn)一步快速推動(dòng)了富碳納米材料的研究與發(fā)展。

問(wèn)題4：目前我國(guó)富碳納米材料研究在國(guó)際上處于什么水平？

回答：從整體研究水平來(lái)看，我國(guó)富碳納米材料研究已經(jīng)走在了世界的前列。近年來(lái)，在國(guó)家大力扶持下，經(jīng)過(guò)不懈努力，我國(guó)在富碳納米材料領(lǐng)域已經(jīng)打造了一支高水平的研究隊(duì)伍，建設(shè)了高水平的研究平臺(tái)，特別是在國(guó)家鼓勵(lì)創(chuàng)新、支持年輕人發(fā)展的政策方針指引下，在富碳納米材料研究領(lǐng)域涌現(xiàn)出一批思想活躍、創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng)的青年學(xué)者，取得了一系列高水平的研究成果。無(wú)論是在發(fā)表論文數(shù)量，還是在申請(qǐng)專(zhuān)利數(shù)上，我國(guó)在該領(lǐng)域都已經(jīng)位居世界第一。

問(wèn)題5：富碳納米材料領(lǐng)域有迫切需要突破的關(guān)鍵技術(shù)嗎？請(qǐng)分析富碳納米材料領(lǐng)域面臨的一些重要問(wèn)題。

回答：對(duì)大多數(shù)富碳納米材料來(lái)說(shuō)，迫切需要解決的問(wèn)題是材料的精確可控制備與規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)。目前，大多數(shù)的富碳納米材料還無(wú)法做到在分子原子尺度上的精確的結(jié)構(gòu)控制，這導(dǎo)致對(duì)此類(lèi)材料的研究，特別是深層次的物理與化學(xué)性質(zhì)研究具有不確定性，從而使得我們對(duì)材料結(jié)構(gòu)性能相關(guān)性研究處于模糊層面，嚴(yán)重影響了人們對(duì)此類(lèi)材料的科學(xué)認(rèn)知。與此相關(guān)，發(fā)展更先進(jìn)的原位表征技術(shù)和微觀分析技術(shù)是富碳納米材料研究領(lǐng)域另外一個(gè)難題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種精細(xì)的分析表征手段也越來(lái)越完善。但是如何針對(duì)材料，特別是介于有機(jī)材料與無(wú)機(jī)材料之間的富碳納米材料的結(jié)構(gòu)在原子、分子尺度上進(jìn)行精確分析與表征仍然面臨許多困難，有待更多的學(xué)者加入，一起探詢(xún)更精確高效的分析與研究方法。發(fā)展高效低成本的規(guī)模化可控制備技術(shù)是此類(lèi)材料在實(shí)際應(yīng)用中面臨的最大挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)室里，通過(guò)精心控制各種反應(yīng)條件，可制備出高性能的富碳納米材料，但是制備規(guī)模很小，多是克級(jí)甚至毫克級(jí)。一旦規(guī)模化制備，由于放大效應(yīng)的存在，得到的材料往往性能大幅下降。因此，富碳納米材料領(lǐng)域也需要高素質(zhì)的工程技術(shù)人員的參與，從而有效推動(dòng)此類(lèi)材料的商業(yè)化應(yīng)用。

問(wèn)題6：富碳納米材料在哪些方面獲得了實(shí)際應(yīng)用？

回答：在大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用方面具有代表性的富碳納米材料有功能化石墨烯、基于前驅(qū)體的納米碳纖維、納米多孔碳等。功能化石墨烯特別是基于化學(xué)改性的功能化石墨烯是一類(lèi)典型的富碳納米材料，目前已經(jīng)在功能涂料、導(dǎo)電添加劑、功能填料等領(lǐng)域進(jìn)入規(guī)模化應(yīng)用階段。納米碳纖維是一種高強(qiáng)度的材料，已經(jīng)在航空、航天、汽車(chē)、船體等需要高強(qiáng)度輕質(zhì)材料的領(lǐng)域配合傳統(tǒng)碳纖維實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。納米多孔碳具有極高比表面積，是很好的吸附材料，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境凈化、污染物處理和凈化水體等領(lǐng)域。

問(wèn)題7：您可否預(yù)測(cè)和分析一下富碳納米材料的現(xiàn)狀、發(fā)展方向？

回答：目前，富碳納米材料無(wú)論在基礎(chǔ)研究，還是在實(shí)際應(yīng)用方面都取得了顯著的進(jìn)步，材料種類(lèi)繁多、性質(zhì)豐富多樣、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，并且發(fā)展?jié)摿薮螅尸F(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。然而，從富碳納米材料的科學(xué)研究角度來(lái)講，目前的大多數(shù)研究仍然處于早期階段。富碳納米材料是碳元素組成的具有微觀精巧結(jié)構(gòu)的材料。富碳納米材料未來(lái)的發(fā)展需立足于它們的微觀結(jié)構(gòu)：認(rèn)識(shí)這些結(jié)構(gòu)，精確設(shè)計(jì)與構(gòu)建這些結(jié)構(gòu)，理解這些結(jié)構(gòu)獨(dú)特的性質(zhì)，并應(yīng)用這些結(jié)構(gòu)帶來(lái)的獨(dú)有性能。首先，需要進(jìn)一步發(fā)展微觀和原位表征技術(shù)，特別是固態(tài)富碳材料的原子尺度分析與表征方法，充分認(rèn)識(shí)富碳納米材料的結(jié)構(gòu)特征，揭示由結(jié)構(gòu)帶來(lái)的獨(dú)特性質(zhì)；其次，需要探索開(kāi)發(fā)富碳納米材料的獨(dú)有應(yīng)用，而不是簡(jiǎn)單的替換其它材料。同時(shí)，繼續(xù)開(kāi)發(fā)大規(guī)模制備技術(shù)，使得富碳納米材料能夠大量精確制取，而不是停留在實(shí)驗(yàn)內(nèi)少量的制備；再者，擴(kuò)大富碳納米材料實(shí)際應(yīng)用范圍，覓得“殺手級(jí)”應(yīng)用，使得富碳納米材料真正成為不可或缺的材料。

問(wèn)題8：您對(duì)富碳納米材料的學(xué)科發(fā)展有哪些期望？

回答：富碳納米材料研究是國(guó)際前沿研究領(lǐng)域，是典型的化學(xué)、物理、材料等多學(xué)科深度交叉研究領(lǐng)域。盡管在我國(guó)有越來(lái)越多的學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到這一領(lǐng)域的重要性，并開(kāi)展了富有成效的研究與探索，但是也應(yīng)該看到我們還存在很多不足。例如大多數(shù)標(biāo)志性的富碳納米材料都是由外國(guó)人發(fā)現(xiàn)或制備的；重大的理論突破以及實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)也大多來(lái)自國(guó)外團(tuán)隊(duì)；高性能富碳納米材料關(guān)鍵制備技術(shù)也多由國(guó)外團(tuán)隊(duì)首先提出。因此，我國(guó)富碳納米材料研究應(yīng)該立足于化學(xué)、物理、材料等我國(guó)優(yōu)勢(shì)學(xué)科的同時(shí)，通過(guò)多學(xué)科的深度交叉與融合，充分挖掘材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和獨(dú)有性質(zhì)，明晰材料結(jié)構(gòu)和其性能間的關(guān)系，夯實(shí)此領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，就有機(jī)會(huì)做出開(kāi)創(chuàng)性的研究工作。特別是這類(lèi)材料的精確結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)精細(xì)化控制非常困難，需要更多的青年學(xué)者能夠靜心科研，直面困難，敢于挑戰(zhàn)，不能急功近利，不能追求“短平快”，做淺嘗輒止的工作。相信通過(guò)大家的共同努力，在不久的將來(lái)就會(huì)在這一領(lǐng)域出現(xiàn)越來(lái)越多的來(lái)自中國(guó)的原創(chuàng)性研究工作。

問(wèn)題9：您對(duì)準(zhǔn)備從事富碳納米材料研究的青年學(xué)者有何建議？

回答：富碳納米材料研究，困難大，挑戰(zhàn)多，但是機(jī)會(huì)也多。建議青年學(xué)者：1）建立明確的研究方向，深入地了解富碳納米材料領(lǐng)域的國(guó)際前沿，掌握其面臨的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)性問(wèn)題，選定自己感興趣的研究方向，開(kāi)展持之以恒的科研工作，不要盲從熱點(diǎn)，進(jìn)行惡性競(jìng)爭(zhēng)；2）加強(qiáng)學(xué)術(shù)交叉合作研究，開(kāi)展優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、合作共享的研究模式，注重多學(xué)科深入交流與討論；3）瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，重視基礎(chǔ)研究的同時(shí)也重視技術(shù)研究與工程研究，使自己的研究成果能夠服務(wù)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展。