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广西大学攻克石墨烯一个个难题

近年来,广西各大高校在自治区教育厅的指导下,结合自身优势学科与资源,开辟出包括校企协同育人、产教高度融合、政策倾斜支持、平台基地支撑等多位一体的“政产学研用创”新路子,向社会交出了一份漂亮的、含金量颇高的“双创”成绩单。12月26日至31日,由广西壮族自治区教育厅、广西日报传媒集团共同主办,广西新闻网承办的“创新创业展活力 高校青春风采行—2016年广西教育网络行”大型采访活动举行。来自全国29家主流网络媒体的记者走进广西大学、广西师范大学、广西民族大学、桂林理工大学、广西科技大学、广西师范学院、贺州学院7所在创新创业教育改革方面成绩突出的广西代表性高校,聚焦广西高校创新创业亮点成果,利用互联网传播创新创业动人故事,将广西高校深入推进创新创业教育的成功经验做法推向全国。

广西新闻网 全媒体报道组

提起广西大学可再生能源材料协同创新中心,人们首先会想到石墨烯。今年8月,一条由广西大学自主设计、年产15吨石墨烯三维构造粉体材料的生产线在南宁高新区建成。今年12月,基于广西大学研究成果,广西质量技术监督局发布了全国第一个石墨烯系列地方标准。这个引领科技前沿的新材料,被该中心尝试运用到电子业、航空航天、汽车制造等多种领域。

12月26日上午,由广西壮族自治区教育厅、广西日报传媒集团共同主办,广西新闻网承办的“创新创业展活力 高校青春风采行—2016年广西教育网络行”采访团走进广西大学可再生能源材料协同创新中心。

一项发明推动广西石墨烯地方标准出台

今年12月7日,广西质量技术监督局发布《石墨烯三维构造粉体材料名词术语和定义》等五项石墨烯系列地方标准,这是有关石墨烯全国首个地方标准。这些地方标准由广西质量技术监督局和广西大学共同提出,广西大学可再生能源材料协同创新中心等单位起草。广西大学在石墨烯方面的研究,也开始为国内外相关领域的专家们熟悉。

“发现石墨烯这种新型碳材料,其实很偶然。”广西大学可再生能源材料协同创新中心主任沈培康教授介绍,他及其团队在研究单原子分散的催化材料时,无意中发现一种新型碳材料,对此深入研究后,发现这种材料具有石墨烯的特性。

看起来,这像是一个美丽的意外发现,实际上机会永远是留给有准备的人。虽然广西大学可再生能源材料协同创新中心2014年12月19日才成立,沈培康教授及其团队从2007年对单原子分散的催化材料进行研究,并进行过无数次实验。

此前,市场生产的石墨烯材料基本都是二维的,合成成本高,工艺复杂。制成粉末样品后,易团聚成石墨片,失去原有石墨烯材料的许多优良特性。沈培康教授及其团队发现的石墨烯材料却是三维化的,呈多孔状。世界各地科学家们在三维化石墨烯的研究上,也取得了一些突破,不过沈培康教授及其团队独创性地发明了采用廉价含碳聚合物为原料,通过过渡金属催化剂和造孔剂作用下,利用热裂解方式,制备这种三维化石墨烯粉末。该技术与传统石墨烯制备技术相比,具有合成工艺简单,原料来源广泛,成本较低廉,可批量化生产的特点。

在广西发布的石墨烯系列地方标准中,首次明确了石墨烯三维构造粉体材料的名词术语,并首次规范了石墨烯三维构造粉体材料的原料、技术、生产装备及检测方法。“标准制定出来,定义就界定好了。”沈培康教授认为,石墨烯系列地方标准的发布将促进石墨烯市场的规范化和标准化。据悉,该校正在促成石墨烯的国家以及世界标准出台。

广西大学攻克石墨烯一个个难题

广西大学沈培康(左一)团队是世界上唯一掌握了能大批量生产石墨烯三维构造粉体材料技术的团队。广西新闻网全媒体报道组 摄

一台设备看清物质“真身”

该中心对石墨烯三维构造粉体材料的自信,来自于对其结构、性能已研究得一清二楚。在该中心,有一台价值2400万元的环境球差校正扫描透射电子显微镜,今年8月这台仪器作为全国首台环境球差校正扫描透射电子显微镜,在广西大学安家,目前国内也只有4台。

这台仪器是一款绝佳的原位高分辨率电子显微镜,用于研究在变化的温度和气体条件下原子级化学反应的动态行为。王双宝博士为记者举了一个例子,如果摔了一跤感到疼痛,要想判断是否骨折,只能通过CT扫描骨骼结构,这台电子显微镜,就好似看到物质内部结构的“CT机”,并且其分辨率能精细到一根头发丝的万分之一。材料的性能是由物质结构决定的,有了这台仪器,科研人员就能“火眼金睛”,知道是什么原因让材料性能改变。

王双宝博士为记者调出了一张含钨材料的内部结构图,在该仪器透视下,这块含钨材料外面看不到包覆物。原来,该校一名学生在实验时发现,添加某种原料后,合成的材料性能会稳定很多,为什么会这样却不清楚。通过用这台仪器观察,原来添加该材料后,外面包覆了一层,而用普通材料合成外面则没有包覆的一层。找到了原因,学生在接下来的研究中,就会更有针对性,也少走很多弯路。

在这台仪器的透视下,石墨烯三维构造粉体材料是什么样?王双宝博士调出此前拍下的成像效果,从三维立体图来看,一小颗石墨烯三维构造粉体材料呈孔状,具有立体和支撑性。正是这种不团聚性,确保了这种材料今后能应用更广泛。

实际上,该中心还有不少其他世界先进的大型测试仪器,例如场发射扫描电子显微镜、原位-高温X射线粉末衍射仪、拉曼光谱仪等。

广西大学攻克石墨烯一个个难题

记者目睹石墨烯真容纷纷拍照。它被喻为可再生能源界的“黑金”,是“十三五”新材料领域的重点发展对象。广西新闻网全媒体报道组 摄

一条生产线让石墨烯粉体材料走上市场

石墨烯是人类目前已知的世上最薄、最坚硬、室温下导电性最好、拥有强大灵活性的纳米材料,在光、电、热、力等方面具有优异性能,在电子业、航空航天、汽车制造等领域已呈现良好的应用前景。

在该中心,记者见到了几罐透明器皿装着的黑色粉末状物质,这就是石墨烯三维构造粉体。该粉体质量很轻,罐子拿在手上几乎感觉不到重量,田植群博士介绍,三维石墨烯1L的重量不到100克,但将该粉体应用于多个领域,却能大大提高产品性能。

田植群博士指着桌上的几节电池告诉记者,这是石墨烯三维构造粉体应用于锂离子电池后,生产出来的产品。与普通锂离子电池相比,该电池具有快速充放电的优点,能应用于电动汽车。从开始充电到充满,只需要12分钟,并且上坡起步不至于电力跟不上而死火。实验证明,加入石墨烯三维构造粉体的锂离子电池安全性也更高,由于导电性好,电阻少,不会引起电池发热。按照国标,普通锂离子电池能充放电2000次,该电池充放电6000次后,容量和初始容量相比只衰减8%,使用寿命大大增加。

据介绍,石墨烯三维构造粉体应用于润滑脂中,润滑效果也大大提高。同时,在导电涂料、吸附材料、生物医药等方面,也大有可为。

今年8月,一条由广西大学自主设计、年产15吨石墨烯三维构造粉体材料的生产线在南宁高新区建成,多种具有特色、性能优越的石墨烯粉体材料下游应用产品也已投入市场。

广西大学攻克石墨烯一个个难题

用价值2400多万元的中国第一台环境球差Titan电镜代可以清晰的观察石墨烯三维构造粉体。广西新闻网全媒体报道组 摄

背景介绍:

广西大学可再生能源材料协同创新中心2014年12月19日成立,由广西大学“领军人才”沈培康教授及其团队创建,是广西大学重点建设直属研究单位。研究中心主任由国际著名的电化学专家、国家自然科学奖二等奖获得者、广西壮族自治区“八桂学者”沈培康教授担任。

中心目前建筑面积达6000余平方米,下辖实验中心、石墨烯小试基地和中试基地。科研仪器总值超过6000万元人民币,拥有大批世界先进的大型测试仪器如环境球差校正扫描透射电子显微镜(全国首台)、场发射扫描电子显微镜、原位-高温X射线粉末衍射仪、拉曼光谱仪、同步热分析仪等。目前中心已建立由40余人组成的研究团队,其中具有正高级职称教师4人。

中心定位以“面向应用的基础研究平台”为基本目标,主要研究领域包括石墨烯、燃料电池、二次电池、超级电容器、光/电水解等。中心以“提升广西大学综合实力,推动广西区域经济发展,推进中国—东盟经济一体化,促进‘一带一路’经济发展”为导向,以建设国家重点实验室、打造国际一流能源材料研究中心为发展战略目标。

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