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碳纳米材料:化工新秀放异彩

编辑:芜湖山鼎工程机械有限公司   字号:
摘要:碳纳米材料:化工新秀放异彩

以富勒烯、石墨烯和碳纳米管为主的碳纳米材料,是本世纪最具发展潜力的新型材料。令人骄傲的是,我国碳纳米材料研究起步较早,凭借一批颇具影响力的科研创新成果,赢得该领域国际话语权。

材料家族不断壮大

中科院化学所王春儒研究员介绍:“纳米科学与技术的快速发展,在很大程度上得益于20世纪80年代以来发现的富勒烯、纳米管等碳纳米材料,以及近年来涌现的石墨烯、纳米角、石墨炔等新材料。反过来,纳米科技的发展也为碳纳米材料提供着越来越便利的研究利器。二者相辅相成、共生共荣。”

作为纳米科研最重要、最活跃的领域之一,碳纳米科技在经历上世纪90年代的高潮后,如今已进入较为成熟的研究阶段,相关成果得以广泛应用。如今,富勒烯的形成机理已经基本明确,在现代科技和高技术产业方面实现了产业化。其它碳纳米材料如碳纳米管、石墨烯等研究也如火如荼。

应用研究攻关正酣

中科院福建物构所洪茂椿院士称:“纳米技术的高速发展给催化剂材料研究带来了新的机遇和挑战。”他表示,假如碳纳米催化材料能在化石资源的高效利用、节能减排研究中取得突破,将产生巨大的经济和社会效益。特别是在煤制乙二醇的工业化生产过程中,碳纳米管复合金属纳米材料对于催化性能的提高效果显著。

王春儒告诉记者,越来越多的富勒烯产品在生物医学、日常生活以及工业上得到大范围应用;碳纳米管在复合材料、光电材料方面获得广泛应用;石墨烯在高强度复合材料、半导体器件中具有潜在应用价值等。他强调:“今后在碳纳米材料科研领域,应更加注重应用层面的研究。”

碳纳米材料在生物医学领域的应用研究进展迅速,尤其是将其用于肿瘤的诊断和治疗,已经形成一个崭新的前沿领域——肿瘤纳米技术。中科院高能所赵宇亮教授指出:“已有研究表明,低剂量金属富勒烯纳米颗粒对肝癌和乳腺癌生长的抑制效果,远好于目前临床使用的抗肿瘤药物,且无毒副作用。但是,如何利用或克服碳纳米材料与生命过程相互作用所带来的新生物效应,是今后需要解决的难题。”

结合碳纳米材料的应用空间与开发状况,王春儒指出:“工业化生产是碳纳米材料应用研究的基础,而目前其工业化生产问题还没有完全解决。”他认为,对于富勒烯纳米材料而言,应加强产业化研究,努力做到低成本、高产率地生产;对于碳纳米管而言,应加强高纯度、少缺陷制备技术的探索;对于石墨烯类纳米材料而言,则要攻克大规模制备的技术瓶颈。

后期开发锁定七大重点

根据中科院金属所成会明研究员的总结,碳纳米材料开发应该包括五个方向:发展新型碳纳米材料及其结构设计、性能预测和可控制备科学;

建立碳纳米材料精细结构和物性的表征方法与技术;揭示碳纳米材料结构与性能的关系;开拓碳纳米材料在清洁能源、纳电子、航空航天、交通运输等领域的应用;推动碳纳米材料的科技发展和规模应用。

王春儒补充指出,应该注重研究不同种类碳纳米材料间的相互转化。譬如,已经发现石墨在高温氦气氛下可转变为富勒烯、纳米管、石墨烯、纳米角、纳米葱等,富勒烯在高温条件下可以转化成纳米管,石墨、富勒烯和纳米管在高温、高压条件下可以转化为金刚石;金刚石在一定条件下可以形成纳米管;纳米管在酸性条件下则会转变成石墨烯等。他表示:“这些材料之间的相互转化,为深入理解进而可控制备碳纳米材料提供了重要信息。”

大连理工大学的邱介山教授则认为,功能性碳纳米材料的低成本可控制备是国内外关注的富有挑战性的课题。他介绍了一种以廉价的煤炭为原料,实现特定结构和性能的碳纳米材料结构调控的策略。实际上,以煤作为碳源制备碳纳米材料的基本思路,就是利用过程工程技术手段,用煤炭中芳香性的基本结构单元来构筑功能性碳纳米材料。这方面的探索,对于实现碳纳米材料的低成本制备颇具意义。

 

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