揭开生物质石墨烯的“神秘面纱”

生物质石墨烯能否催生万亿级产业，需要时间和市场来检验。

生物质石墨烯到底是何来头，离产业化还有多远?记者走访了相关人士，试图揭开生物质石墨烯的“神秘面纱”。

石墨烯被誉为“改变21世纪的神奇材料”，且因其独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能和较高比表面积，近年来受到极大重视。

但是，摆在石墨烯产业化面前的一道难题是：大多数企业尚处在小批量生产的摸索阶段，还不能形成稳定的规模化生产能力，且石墨烯的生产成本较高，原料供应也有限制，这也阻碍了石墨烯进一步走向市场。

近日，记者得到消息，山东济南圣泉集团股份有限公司(以下简称圣泉集团)已经和黑龙江大学的研究团队携手开发生物质石墨烯，有望破解上述难题。相关媒体报道更是使用了“生物质石墨烯问世或将催生万亿级产业”这样“夺人眼球”的标题。

据《中国科学报》记者在采访中了解，然而，许多多年从事石墨烯制备研究的科研工作者对生物质石墨烯仅有所耳闻，并未真正接触过。

生物质石墨烯到底是何来头，离产业化还有多远?记者走访了相关人士，试图揭开生物质石墨烯的“神秘面纱”。

当生物质撞上石墨烯

石墨烯是英国曼彻斯特大学的两位科学家2004年在实验室中通过试验发现的仅由一层碳原子构成的薄片。

据了解，由于石墨烯领域的专利技术大部分还停留在科研阶段，制备成本普遍过高，很难实现工业化商业生产，市场价格在200元/克左右，而且在原料上也屡受限制。这在一定程度上限制了石墨烯的大规模广泛使用。

“现在半饱都达不到。”黑龙江奥宇石墨集团有限公司董事长韩玉凤曾公开对媒体表示，现在矿石供应只是需求量的五分之一。

有科学家从生物质原料上打起了“主意”。

秸秆是一种天然纤维素生物质，被认为是地球上最有价值、最丰富的可再生资源。在中国，天然纤维素生物质的年产率超过7亿吨，其中玉米秸秆占有30 %。

由于玉米秸秆中碳含量比较丰富，因此将其转化为具有特殊结构的碳材料用于需要的领域非常重要。

近年来，类石墨烯材料在超级电容器领域中具有较为广泛的应用，主要是由于二维纳米材料具有和石墨烯类似的杰出的电子传导特性。

“已报道的介孔碳包覆石墨烯纳米片以及石墨片的二维碳材料，具有较大的比表面积以及丰富的孔结构，展现了较好的电容特性以及循环稳定性。这些研究让我们想到了直接合成多孔石墨化碳纳米片用作超级电容器电极材料。为了解决环境污染以及资源匮乏的问题，利用玉米秸秆为原料发展简单高效的方法合成多孔类石墨烯材料是非常重要的。”黑龙江大学教授付宏刚的科技创新团队在今年3月的一次技术交流会上这样表达研究生物质石墨烯的初衷。

付宏刚团队认为，玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素含有丰富的极性基团，能够和各种金属离子配位。基于以上分析，付宏刚团队以玉米秸秆为原料，基于铁的渗碳效应发展了一种制备多孔类石墨烯材料的方法。

回归冷静的思考

圣泉集团生物质碳材料研究所所长张金柱告诉《中国科学报》记者，圣泉集团在得知黑龙江大学付宏刚团队这项生物质石墨烯研究成果后，在6月份就迅速与黑龙江大学接洽，开始了在生物质石墨烯研究上的合作。

但是，面对生物质石墨烯这一新兴的被外界誉为极有潜力和市场价值的技术，还是有研究者表达了谨慎的观望态度。

复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室教授卢红斌对《中国科学报》记者表示，虽然自己没有参与生物质石墨烯领域的研究，但从事石墨烯研究已经多年，深知要想从生物质中制备出石墨烯并非易事。

卢红斌提出，从生物质到石墨烯，需要经过高温处理，对设备和成本要求极高。

“制备石墨烯，要求生物质材料尽可能地有着规则化的结构，完美的石墨是芳香烃型的结构，才能有较好的电荷传输效率，形成良好的导电性质。若要导电，需要更高的温度来处理。高温处理能石墨化到什么程度、形成怎样的石墨烯片层，也仍然是个问题。”卢红斌指出了生物质制备石墨烯的难处。

他也提出，以生物质为原料制备石墨烯，确实是一个不错的思路，在处理农作物废物上，是一个很好的选择。

“但是，从另外一个角度而言，如果生物质原料可以更加容易地制备出木质素等产品，比大费周章地制备出石墨烯，从合理利用生物质的角度而言是否更合适呢?这值得探讨。”卢红斌说。

此外，卢红斌从环境角度提出了疑问：“大分子的生物质制备石墨烯时，会有许多小分子物质释放出来。生物质中含有氮元素，可能也含有硫元素和磷元素等，这样的废弃物如果排放到空气中，是否会造成一定的环境压力?”

其他几位不愿意具名的专家在接受《中国科学报》记者采访时也表达了类似的担忧。

需时间和市场检验

记者带着相同的疑问找到了张金柱。据张金柱介绍，“基团配位组装法”工艺制备生物质石墨烯目前获得成功，预计以当前的技术能力，石墨烯年产量可以达到十几万吨。

同时，圣泉集团年产150吨生物质石墨烯的中试生产线预计十月份试生产，而年设计生产能力为2000吨的全球首个以生物质为原料的石墨烯工业化项目也正在立项申报中。

“目前圣泉集团生产的生物质石墨烯主要是用于自有产业中的复合材料的开发，电化学应用不是重点。按照我们公开的说法，该种方法制备的石墨烯价格可以低到1元/克，成本有多低可想而知。而且，采取高温制备，我们主要消耗的也是电能。”张金柱间接回应了部分问题。

他同时强调，生物质有很好的发展前景。石墨受到矿产资源的限制，而且资源终有一天会枯竭。而生物质石墨烯原料取自天然植物的秸秆，具备可再生性。

“尤其我们对环境作出了贡献，传统石墨烯制备中要用到大量的强酸，但是高温制备将生物质‘闷压’成石墨烯，不存在大量废气排放的问题。”张金柱说。

据圣泉集团唐一林介绍，圣泉集团首先将石墨烯应用到了企业现有产品上。唐一林希望，在使用了石墨烯之后，酚醛树脂、轻芯钢、刹车片、砂轮、砂纸等产品，将因为性能大幅度提高而具有更强的市场竞争力。

圣泉集团也自信地表示：“源于其作为原料的农作物秸杆的来源广泛和价格低廉，进入工业化生产状态后的充分量产，利器在手的圣泉集团从此可以以足够的底气，从容地重新架构企业的竞争优势。”

记者在致电圣泉集团公关部负责人时，对方透露，由于当前进一步的检测与放大实验正在进行中，希望未来用更多的数据来支撑。

也正如卢红斌所言，生物质石墨烯能否催生万亿级产业，需要时间和市场来检验。