依托材料創(chuàng)新，發(fā)展低碳技術

礦物能源消耗造成的溫室效應，引起冰川加速消融、全球氣候反常，生態(tài)環(huán)境日益惡化。這是當今世界面臨的最嚴峻的危機之一。因此，發(fā)展先進低碳技術、清潔能源已經成為全人類面臨的一項最迫切的任務。發(fā)展先進能源與環(huán)保材料，則是開發(fā)清潔能源、實現(xiàn)低碳制造、提高能源利用效率、保證能源技術安全的基石。

作為負責任的大國，中國政府于2021年首次將“碳達峰、碳中和”寫入《政府工作報告》，體現(xiàn)了國家構建清潔能源社會的決心和毅力。我一直十分關心環(huán)境問題，致力于發(fā)展低碳新材料技術。在英國高校工作期間，發(fā)起并參與了英國材料學會可持續(xù)能源材料工作組，創(chuàng)建了博爾頓大學新能源與環(huán)境材料技術研究所。2016年我辭去英國教職，全職回國服務，于鄭州大學籌建低碳環(huán)保材料國際聯(lián)合研究中心，發(fā)起了鄭州新世紀材料基因組工程研究院（簡稱鄭材基因院），致力于產學研一體化的新能源與環(huán)境材料技術創(chuàng)新。

我們團隊本著“著眼國際前沿，立足中國制造，外引內聯(lián)，產學研一體化”的主旨，重點發(fā)展與新能源、環(huán)境凈化技術密切相關的新材料，開發(fā)新應用。我們依托鄭材基因院，以“裁剪材料學”為基礎的材料基因組工程方法為指導，加速性能指標導向的新材料的發(fā)展進程。我們不僅十分關心再生能源技術、低碳能源材料，同時也十分重視碳資源的升級應用，發(fā)展“以碳治碳、化碳為寶”的先進制造技術。

我們發(fā)展碳基能源環(huán)保材料的首項重要突破，是發(fā)明了綠色環(huán)保量產“（幾乎）無缺陷”石墨烯粉體的技術，為發(fā)展各類高端石墨烯應用技術奠定了扎實的材料基礎。被譽為“超級材料”的石墨烯是已知最薄、最堅韌的納米材料，它幾乎完全透明、質輕、結構穩(wěn)定，且具有超強的導電導熱性能，在高精尖制造領域具有巨大的應用潛力，是一種輻射性極強、極具戰(zhàn)略意義的“顛覆性材料”。目前國際傳統(tǒng)石墨烯粉體制造技術存在“三高一低”問題：主流氧化還原技術比較適于規(guī)模化生產，但生產過程高度污染環(huán)境、產品缺陷率極高，不宜用于高性能領域。英國電弧法技術雖然能夠制備結構接近石墨烯的納米角，生產率卻極低（單機年產率僅200來公斤）、成本高昂，嚴重阻礙了石墨烯的工業(yè)化應用。我們的技術發(fā)明，在國際上獨樹一幟，真正實現(xiàn)了用清潔辦法一步到位制造出優(yōu)質石墨烯粉體的目標。其制備過程能耗不到電弧法的1%，產品質量明顯優(yōu)于電弧法，成本不到其5‰，能耗相當?shù)膯螜C年產能可達數(shù)十噸。

依托該技術，我們發(fā)展了一系列低碳新能源、環(huán)保應用技術，主要技術成就包括：利用石墨烯代替石墨做電池負極材料，將石墨烯與非嵌入式正極材料復合，研制出較為成熟的金屬離子電池，儲能密度成倍提高，充放電速度更快，使用更安全。我們針對PM2.5的重要來源汽車尾氣、餐飲業(yè)及工業(yè)煙霧等，研發(fā)出了高效柔性功能化石墨烯煙塵過濾膜；同時積極發(fā)展石墨烯材料在大規(guī)模化學儲能、能源轉換、健康致熱、電磁屏蔽、海水防腐、重載潤滑、環(huán)境傳感、水體清潔等領域的應用技術。

在規(guī)模化石墨烯薄膜制造方面，我們發(fā)明了高通量廣域等離子體輔助化學氣相沉積技術，首次實現(xiàn)了低溫（低能耗）、無催化大面積生長垂直石墨烯材料，展現(xiàn)了其代替貴金屬作燃料電池催化膜、金屬離子電池電極、金屬空氣電池等方面的優(yōu)異效果。

針對鋰離子電池為代表的金屬離子電池的安全隱患問題，我們致力于設計并制備固態(tài)離子電池的關鍵材料，在電極材料與超級固態(tài)電解質方面，布局了一批核心發(fā)明專利，引起包括日本在內國際電池業(yè)的積極關注。

在人才培養(yǎng)方面，依托鄭州大學“雙一流”學科建設，順勢發(fā)展了新能源材料與器件新工科專業(yè)，目前已有三屆國際化本科生在讀；依托國際聯(lián)合研究中心，設立了省外籍杰出科學家工作室、謀劃構建國際能源材料知識樞紐，啟動了與英國薩里等海外大學聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生項目，為實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標奠定從本科到碩、博研究生的人才基礎；領銜發(fā)起了由鄭州大學主辦、與Wiley合作出版的英文期刊Energy& Environmental Materials（簡稱EEM，中文名稱為《能源與環(huán)境材料》），經過不到3年的努力，已經成為國際材料綜合前10%一區(qū)刊物（2020年首個影響因子超過15）、入選國家期刊梯度計劃T1系列。

目前，我們依托系列核心技術，正在致力探索一條由原創(chuàng)科技引領的“一院（研究院）、一園（科技園）、一產業(yè)（板塊）”協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展模式，依托自主材料及制備技術，簽約建設鄭州碳谷科技園，打造中原創(chuàng)新驅動的“綠色材料”科技、產業(yè)基地，為盡早實現(xiàn)碳中和目標，作出應有的貢獻。