廣西大學可再生能源材料協同創新中心工作重點之一：石墨烯三維構造粉體材料規模化制備與應用

石墨烯三維構造粉體材料規模化制備與應用

石墨烯是已知強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料，使得石墨烯在能源、生物技術、電子及網絡技術，航天航空和汽車工業等諸多領域展現出寬廣的應用前景，因此被稱作可以改變世界的“神奇材料”。

目前，市場生產的二維石墨烯粉體材料，主要來源于氧化石墨烯還原的方法，其合成成本高，工藝復雜、污染大。另外，上述方法合成的石墨烯通常受范德華力或懸鍵作用的影響，制成粉末樣品后，易于堆積或團聚成石墨片，失去原有石墨烯材料的許多優良特性，因而使用前需分散于穩定劑中，濃度很低，故不利于石墨烯的廣泛使用。此外，商用粉末樣品的石墨烯比表面積通常小于100m2/g，大大降低了其使用性能，使得其在很多應用場合下存在一定的局限，難以實現產業應用需求。

石墨烯的三維化是一種能有效防止二維石墨烯之間團聚或堆疊的結構。它不僅保持石墨烯的本征特性，而且擁有獨特的自支撐結構和多孔性。另外，它也能提供大的比表面積、高的機械強度和快速的電子和離子傳輸。因此，被認為是未來石墨烯材料發展的重要方向。

在石墨烯三維構造粉體制備技術方面，廣西大學可再生能源材料協同創新中心沈培康教授團隊經過多年的研究，發明了創新的石墨烯三維構造粉體的制備方法。該技術與傳統石墨烯制備技術相比，具有合成工藝簡單，原料來源廣泛，成本低廉，可批量化生產。并且通過改變含碳聚合物的種類、金屬離子濃度，造孔劑的量實現可控調節石墨烯三維構造粉體產品特性。此方法合成的石墨烯三維多級孔自摻雜（氮、磷、硼等）材料，具有其它碳材料包括商用石墨烯不具備的性質，如超高比表面積、高導電性、自摻雜、多級孔結構等。這些獨特性能的石墨烯三維多級孔材料可廣泛應用于燃料電池、二次電池和超級電容器等能源領域以及與高分子復合合成具有優異特性的功能性涂料和增強材料，用于電子業、航空航天、汽車制造等領域。

目前，在南寧高新區建有一條自主設計、產年15噸的石墨烯三維構造粉體材料生產線，開發出多種具有特色、性能卓越的石墨烯粉體材料下游應用產品，現已投放市場。在石墨烯產業發展規范方面，制定了5項涵蓋石墨烯三維構造粉體材料名詞、術語、生產裝備、生產技術和檢測方法的廣西地方標準（為全國首個石墨烯系列標準，2017年1月1日正式生效）。

應用開發實例

一、鋰離子動力電池

將石墨烯三維構造粉體材料作為導電添加劑制備出來的鋰離子電池具有高功率、內阻低、發熱少和循環壽命長的特點，該電池在5C高倍率充放電條件下使用，1萬次以上循環容量保持率92.5%，電池自發熱溫度小于2℃，說明石墨烯在磷酸鐵鋰顆粒之間形成了有效的導電網絡，充分發揮了磷酸鐵鋰正極材料大倍率下穩定耐用、循環壽命長的特點。

二、潤滑脂和調理劑

石墨烯作為潤滑助劑添加到潤滑油潤滑脂中，可大幅調高潤滑產品的綜合性能如降低摩擦系數、提高極壓性。在普通的潤滑油中添加1‰的石墨烯三維構造粉體材料，潤滑綜合性能提高300%以上，調理劑和潤滑脂中添加了石墨烯三維構造粉體，有效增強了此類產品的性能。與德國FUCHS URETHYN E2潤滑脂相比，滴點從200℃提升到329℃；FUCHS潤滑脂的磨痕大于5mm，而改性后降低到0.40mm；體現了優異的耐水性和抗腐蝕性。

三、機械加工化學品

利用石墨烯三維構造粉體材料研發出高性能金屬加工切削液和防銹油產品。與傳統的產品相比，切削液的潤滑，冷卻和防腐性能大幅提高，進而有利于提高金屬的加工精度和減少磨具的耗損。防銹油在金屬加工中間過程和產品存放期間，起防銹作用。添加石墨烯后，鹽霧實驗證明，防銹作用顯著提高。

四、發動機冷卻液

石墨烯三維構造粉體材料大幅提高傳統冷卻液的傳熱性能100%以上。此項產品除了產品的自身價值之外，對日后汽車發動機散熱系統的輕量化設計和降低汽車油耗將起到很大的作用。

五、LED燈

添加石墨烯三維構造粉體材料作為散熱材料，LED燈發熱可以從90℃降低到70℃，延長了LED燈壽命。

六、功能性涂料

將石墨烯三維構造粉體加入涂料中，可以制得具有優異特殊性質的功能性涂料，主要特點為抗靜電、高穩定性、高耐磨性、耐腐蝕等。

目前，此項石墨烯粉體材料規模化制備技術已實現量產，并有明確的下游應用方向，建立了從石墨烯生產原料、裝備、生產、銷售和下游工程應用的完整產業鏈。此技術涉及行業眾多，這些行業全部加起來我們預測所需石墨烯粉體量將達萬噸級。石墨烯的廣泛應用將推動傳統行業的升級換代，從而推動經濟快速發展。

以上工作均依托廣西大學可再生能源材料協同創新中心（2016年10月獲批“廣西電化學能源材料重點實驗室培育基地”和“廣西石墨烯工程技術中心（組建）”兩個區級科研平臺）開展。中心于2014年12月正式成立，中心現有辦公和實驗室面積5000m2，設有實驗中心，小試基地和中試基地等。中心人員已發展到40人的團隊（教職工14人），科研儀器總值超過8000萬元人民幣，擁有大批世界先進的大型測試儀器如：現場環境球差校正透射電子顯微鏡（全國首臺）、場發射掃描電子顯微鏡、原位-高溫X射線粉末衍射儀、拉曼光譜儀、同步熱分析儀等精密貴重儀器。并都已驗收并納入國家設備共享系統開放使用，現已對外承接送樣檢測、表征等工作。

本中心定位以“面向應用的基礎研究平臺”為基本目標，主要研究領域包括石墨烯、燃料電池、二次電池、超級電容器、光/電水解等。本研究中心以“提升廣西大學綜合實力，推動廣西區域經濟發展，推進中國-東盟經濟一體化，促進‘一帶一路經濟發展”為導向，以建設國家重點實驗室、打造國際一流能源材料研究中心為發展戰略目標。

中心主任沈培康博士——廣西大學教授、博士生導師，廣西石墨烯研究院首席科學家。中國電化學委員會燃料電池分會主席，中國材料研究學會終身會員，廣西石墨烯標準化技術委員會主任。主要專長包括燃料電池、超級電容器、和鋰離子電池在內的能源材料和裝置、納米功能材料、微觀電化學和石墨烯技術。先后承擔國家重大科技項目、國家863項目、國家基金委-廣東省聯合項目、國家自然科學基金國際重大和聯合基金項目及產學研等五十余項。迄今為止，共培養了29名博士研究生，59名碩士研究生和10名博士后。在能源材料領域核心專業期刊，如Chem. Rev.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater，Energy & Environ. Sci.等發表論文340余篇，累計ESI論文25篇，h-因子55。工作被廣泛引用超萬次。2016年獲選全球高校能源科學與工程學科最具影響力的高被引150名學者之一，愛思唯爾發布中國高被引學者（能源領域）排名2014年第二名、2015年第三名和2016年第三名。受世界科技出版集團CRC Press和Springer邀請組織編寫英文能源材料科技前沿著作4部。作為大會主席主辦了6次國際電化學能源材料會議。申請和授權發明專利50余件。因在電化學能源領域做出的科學貢獻，2013年獲國家自然科學獎二等獎。

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