生物質石墨烯：萬億市場能否成真

　　石墨烯被譽為“改變21世紀的神奇材料”，且因其獨特的電學性能、力學性能、熱性能、光學性能和較高比表面積，近年來受到極大重視。

　　但是，擺在石墨烯產業化面前的一道難題是：大多數企業尚處在小批量生產的摸索階段，還不能形成穩定的規模化生產能力，且石墨烯的生產成本較高，原料供應也有限制，這也阻礙了石墨烯進一步走向市場。

　　近日，記者得到消息，山東濟南圣泉集團股份有限公司（以下簡稱圣泉集團）已經和黑龍江大學的研究團隊攜手開發生物質石墨烯，有望破解上述難題。相關媒體報道更是使用了“生物質石墨烯問世或將催生萬億級產業”這樣“奪人眼球”的標題。

　　據《中國科學報》記者在采訪中了解，然而，許多多年從事石墨烯制備研究的科研工作者對生物質石墨烯僅有所耳聞，并未真正接觸過。

　　生物質石墨烯到底是何來頭，離產業化還有多遠？記者走訪了相關人士，試圖揭開生物質石墨烯的“神秘面紗”。

　　當生物質撞上石墨烯

　　石墨烯是英國曼徹斯特大學的兩位科學家2004年在實驗室中通過試驗發現的僅由一層碳原子構成的薄片。

　　據了解，由于石墨烯領域的專利技術大部分還停留在科研階段，制備成本普遍過高，很難實現工業化商業生產，市場價格在200元/克左右，而且在原料上也屢受限制。這在一定程度上限制了石墨烯的大規模廣泛使用。

　　“現在半飽都達不到。”黑龍江奧宇石墨集團有限公司董事長韓玉鳳曾公開對媒體表示，現在礦石供應只是需求量的五分之一。

　　有科學家從生物質原料上打起了“主意”。

　　秸稈是一種天然纖維素生物質，被認為是地球上最有價值、最豐富的可再生資源。在中國，天然纖維素生物質的年產率超過7億噸，其中玉米秸稈占有30 %。

　　由于玉米秸稈中碳含量比較豐富，因此將其轉化為具有特殊結構的碳材料用于需要的領域非常重要。

　　近年來，類石墨烯材料在超級電容器領域中具有較為廣泛的應用，主要是由于二維納米材料具有和石墨烯類似的杰出的電子傳導特性。

　　“已報道的介孔碳包覆石墨烯納米片以及石墨片的二維碳材料，具有較大的比表面積以及豐富的孔結構，展現了較好的電容特性以及循環穩定性。這些研究讓我們想到了直接合成多孔石墨化碳納米片用作超級電容器電極材料。為了解決環境污染以及資源匱乏的問題，利用玉米秸稈為原料發展簡單高效的方法合成多孔類石墨烯材料是非常重要的。”黑龍江大學教授付宏剛的科技創新團隊在今年3月的一次技術交流會上這樣表達研究生物質石墨烯的初衷。

　　付宏剛團隊認為，玉米秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素含有豐富的極性基團，能夠和各種金屬離子配位。基于以上分析，付宏剛團隊以玉米秸稈為原料，基于鐵的滲碳效應發展了一種制備多孔類石墨烯材料的方法。

　　回歸冷靜的思考

　　圣泉集團生物質碳材料研究所所長張金柱告訴《中國科學報》記者，圣泉集團在得知黑龍江大學付宏剛團隊這項生物質石墨烯研究成果后，在6月份就迅速與黑龍江大學接洽，開始了在生物質石墨烯研究上的合作。

　　但是，面對生物質石墨烯這一新興的被外界譽為極有潛力和市場價值的技術，還是有研究者表達了謹慎的觀望態度。

　　復旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室教授盧紅斌對《中國科學報》記者表示，雖然自己沒有參與生物質石墨烯領域的研究，但從事石墨烯研究已經多年，深知要想從生物質中制備出石墨烯并非易事。

　　盧紅斌提出，從生物質到石墨烯，需要經過高溫處理，對設備和成本要求極高。

　　“制備石墨烯，要求生物質材料盡可能地有著規則化的結構，完美的石墨是芳香烴型的結構，才能有較好的電荷傳輸效率，形成良好的導電性質。若要導電，需要更高的溫度來處理。高溫處理能石墨化到什么程度、形成怎樣的石墨烯片層，也仍然是個問題。”盧紅斌指出了生物質制備石墨烯的難處。

　　他也提出，以生物質為原料制備石墨烯，確實是一個不錯的思路，在處理農作物廢物上，是一個很好的選擇。

　　“但是，從另外一個角度而言，如果生物質原料可以更加容易地制備出木質素等產品，比大費周章地制備出石墨烯，從合理利用生物質的角度而言是否更合適呢？這值得探討。”盧紅斌說。

　　此外，盧紅斌從環境角度提出了疑問：“大分子的生物質制備石墨烯時，會有許多小分子物質釋放出來。生物質中含有氮元素，可能也含有硫元素和磷元素等，這樣的廢棄物如果排放到空氣中，是否會造成一定的環境壓力？”

　　其他幾位不愿意具名的專家在接受《中國科學報》記者采訪時也表達了類似的擔憂。

　　需時間和市場檢驗

　　記者帶著相同的疑問找到了張金柱。據張金柱介紹，“基團配位組裝法”工藝制備生物質石墨烯目前獲得成功，預計以當前的技術能力，石墨烯年產量可以達到十幾萬噸。

　　同時，圣泉集團年產150噸生物質石墨烯的中試生產線預計十月份試生產，而年設計生產能力為2000噸的全球首個以生物質為原料的石墨烯工業化項目也正在立項申報中。

　　“目前圣泉集團生產的生物質石墨烯主要是用于自有產業中的復合材料的開發，電化學應用不是重點。按照我們公開的說法，該種方法制備的石墨烯價格可以低到1元/克，成本有多低可想而知。而且，采取高溫制備，我們主要消耗的也是電能。”張金柱間接回應了部分問題。

　　他同時強調，生物質有很好的發展前景。石墨受到礦產資源的限制，而且資源終有一天會枯竭。而生物質石墨烯原料取自天然植物的秸稈，具備可再生性。

　　“尤其我們對環境作出了貢獻，傳統石墨烯制備中要用到大量的強酸，但是高溫制備將生物質‘悶壓’成石墨烯，不存在大量廢氣排放的問題。”張金柱說。

　　據圣泉集團唐一林介紹，圣泉集團首先將石墨烯應用到了企業現有產品上。唐一林希望，在使用了石墨烯之后，酚醛樹脂、輕芯鋼、剎車片、砂輪、砂紙等產品，將因為性能大幅度提高而具有更強的市場競爭力。

　　圣泉集團也自信地表示：“源于其作為原料的農作物秸桿的來源廣泛和價格低廉，進入工業化生產狀態后的充分量產，利器在手的圣泉集團從此可以以足夠的底氣，從容地重新架構企業的競爭優勢。”

　　記者在致電圣泉集團公關部負責人時，對方透露，由于當前進一步的檢測與放大實驗正在進行中，希望未來用更多的數據來支撐。

　　也正如盧紅斌所言，生物質石墨烯能否催生萬億級產業，需要時間和市場來檢驗。