炭材料的革新
——記Carbon 2015國際炭會議

炭材料的革新
——記Carbon 2015國際炭會議

張 強

(清華大學(xué)化學(xué)工程系,北京100084,中國)

Author introduction:ZHANG Qiang,Ph.D.E-mail:zhang-qiang@mails.tsinghua.edu.cn;zhangqiangflotu@mail.tsinghua.edu.cn

2015年國際炭會議(Carbon 2015)于7月12至17日在德國薩克森州德累斯頓(Dresden)舉行。會議主辦方為德國炭素組織(German Carbon Group),組織方為德國炭素組織以及德國陶瓷協(xié)會(German Ceramic Society)。本次會議共有40個國家的582位學(xué)者報名參加,其中歐洲代表最多(283),而亞洲緊隨其后(221),其余分別為:美洲(64)、大洋洲(9)和非洲(5)。中國大陸地區(qū)共有70余名學(xué)者參會,主要來自清華大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所、天津大學(xué)、中山大學(xué)、大連理工大學(xué)、華東理工大學(xué)、太原理工大學(xué)、北京化工大學(xué)等;同時很多在美國、歐洲、日本等世界各地學(xué)習(xí)工作的中國學(xué)子以及臺灣地區(qū)的代表也聚會于此。據(jù)不完全統(tǒng)計,約百余名華人代表出席了此次會議,這足以體現(xiàn)出華人學(xué)者在國際炭素領(lǐng)域內(nèi)的影響力在逐漸擴大。

此次會議的主題是“炭材料革新”(Innovation with carbon materials)。從工業(yè)界來看,炭材料的產(chǎn)量主題仍然是炭纖維、石墨、炭黑、活性炭等傳統(tǒng)炭材料,而如何結(jié)合當(dāng)代社會需求,拓展傳統(tǒng)炭材料的新增長空間已成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的核心話題。會議圍繞這一主題邀請了5位專家,對炭材料發(fā)展中的熱點問題進行了4個大會特邀報告。第一位特邀報告是“炭纖維時代”(The carbon fiber age),由德國SGL公司、德累斯頓工業(yè)大學(xué)超輕工程材料研究所Hubert Jager教授和德國炭素組織Roland Weiss博士共同完成。該報告簡要回顧了炭纖維的歷史、現(xiàn)有市場、新興應(yīng)用,以及未來發(fā)展趨勢。一方面,炭纖維的強度、模量和加工性能的提升拓展了其在航空航天、深海探測等高精尖領(lǐng)域的應(yīng)用空間;另一方面,技術(shù)進步帶來的低成本、高性價比又促進了炭纖維在建筑、體育器材、消費電子產(chǎn)品等民用領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。作為上個世紀(jì)中期逐漸成熟的炭材料,炭纖維仍然是當(dāng)今社會的高端材料代表,同時也依然迸發(fā)著進一步革新的活力以及對未來高端市場的開拓潛力。第二個大會報告是“石墨——從第一性原理計算的視角理解這種復(fù)雜材料”(Graphite-a remarkable and complex material analysed ab initio)。該報告由英國炭素協(xié)會主席、英國皇家化學(xué)會會士、Surrey大學(xué)的Malcolm Haggie教授完成。石墨是眾所周知的傳統(tǒng)炭材料,其結(jié)構(gòu)早在100多年前就通過X射線確定。但是Haggie教授從第一性原理計算的角度詳細(xì)分析了石墨這種經(jīng)典材料的能量色散關(guān)系及其動態(tài)演變,從碳原子結(jié)合的角度深入理解石墨的特性,從現(xiàn)代物理和化學(xué)的前沿角度理解石墨材料的獨特性能,這對于指導(dǎo)其在鋰離子電池負(fù)極、石墨烯制備、核反應(yīng)器器壁等方面的應(yīng)用都具有重要的意義。第三個大會報告來自Antlantic Hydrogen公司的炭產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)理、美國炭素協(xié)會主席Rodney L.Taylor博士。該報告的題目是“炭黑:傳統(tǒng)納米材料的新視角”(Carbon black:A new look at an old nanomaterial)。炭黑的尺寸在納米尺度,是大規(guī)模使用的納米材料。Taylor博士介紹了炭黑的商業(yè)情況及其工業(yè)制造方法,并探討了炭黑豐富的表面化學(xué)特性以及物理性能。他認(rèn)為盡管炭黑已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用,但是時至今日,炭黑許多優(yōu)異的特性并未充分展示和調(diào)控。如果能夠以新的視角來重新審視和理解,炭黑這種傳統(tǒng)炭材料仍將迎來不斷的革新。第四個報告是“能源系統(tǒng)中的炭合金”(Carbon alloys in energy system)。報告人是日本石墨化合物協(xié)會主席、日本學(xué)術(shù)振興會委員、日本炭素協(xié)會學(xué)術(shù)獎得主、大阪電氣通信大學(xué)(Osaka Electro-Communication University)的Masayuki Kawaguchi教授。他介紹了炭合金體系中引入雜原子,尤其是硼、氮原子對于儲能過程的影響,從能帶結(jié)構(gòu)、表界面特性的角度分析炭骨架中的雜原子在鋰電池、電容器等應(yīng)用中的作用?？梢钥吹?四個大會報告都是從傳統(tǒng)炭材料作為切入點,利用當(dāng)代炭物理、化學(xué)的研究手段深入剖析,從商業(yè)化進展的角度探討如何結(jié)合時代發(fā)展和技術(shù)進步實現(xiàn)傳統(tǒng)炭材料的革新。石墨、活性炭、炭黑、炭纖維等炭基材料仍然是炭素工業(yè)主流產(chǎn)品,它們的發(fā)展也影響著當(dāng)今炭素工業(yè)的走向以及從業(yè)者的發(fā)展。值得注意的是,伴隨著新型炭材料的研究熱潮不斷涌現(xiàn)的新方法和新手段,也賦予了傳統(tǒng)炭材料新的活力和生命力,使其不斷革新,在已有的應(yīng)用領(lǐng)域進一步延伸拓展,形成可持續(xù)發(fā)展的炭材料工業(yè)。

表1 Carbon 2015論文按研究主題統(tǒng)計分類Table 1 Statistics of papers presented in Carbon 2015 sorted by subjects

本次會議共收到540篇摘要。大會組織者圍繞炭材料當(dāng)今的研究現(xiàn)狀和熱點共設(shè)置了12個主題,篩選出4個大會報告,256個口頭報告,280個墻報展示。本次會議無邀請報告或者重點報告。為了便于科技工作者之間更加深入地交流,會議安排了四個分會場同時進行口頭報告,并有3場墻報交流。在所有墻報展示結(jié)束后,單獨設(shè)立了自由展示時間,提供空白展板供墻報展示人再次貼上墻報,進行充分交流。如表1所示,12個主題又可以分為基礎(chǔ)和性能/應(yīng)用兩大方面:基礎(chǔ)研究方面包括活性炭、生物質(zhì)基炭、炭黑、炭纖維和復(fù)合物、原子能炭、天然石墨、納米炭7個主題;性質(zhì)/應(yīng)用研究方面包括物理及化學(xué)過程、前驅(qū)物轉(zhuǎn)化、工業(yè)化進展、環(huán)境和醫(yī)學(xué)、能源儲存5個主題。以下就筆者的理解對本次大會的主要內(nèi)容分幾個專題進行介紹。

(1)傳統(tǒng)炭材料富余生機

以石墨、活性炭、炭纖維、炭黑等為代表的傳統(tǒng)炭材料仍是目前炭素工業(yè)的主流產(chǎn)品。隨著社會需求的變化,傳統(tǒng)炭材料仍富余新的活力。例如,英國Thomas Trevethan介紹了中子輻射對于石墨材料的損傷行為,Malcolm Heggie闡釋了核石墨的構(gòu)效關(guān)系;澳大利亞Nigel Marks介紹了利用分子動力學(xué)方法模擬石墨中的輻射損傷行為;日本Yosuke Saito闡釋了各向同性石墨的斷裂行為;德國RainerSchmitt介紹了電解池里炭和石墨材料對鋁的潤濕性特征;美國Ljubisa R Radovic介紹了石墨烯和活性炭的液相吸附行為;俄羅斯Aleksandr Soldatov闡述了苯酚在不同溶劑中的活性炭表面的吸附行為;比利時Peter Lodewyckx講解了不同濕度條件下硫化氫和有機蒸汽在活性炭表面的共吸附規(guī)律;土耳其Mehmet Ferhat Yardim介紹了多孔炭基材料吸附和降解有機物的研究進展;葡萄牙Ana Margarida Galhetas分析了不同炭織構(gòu)的表面吸附乙酰氨基酚的行為;美國Teresal Bandosz分析多孔炭氣體傳感器的表界面化學(xué)及傳感機制;法國Cedric Pardanaud采用X射線散射、拉曼光譜及高分辨電子顯微鏡分析活性炭的孔結(jié)構(gòu);日本Haruo Kumacai采用核磁共振技術(shù)分析玻璃炭里面的氫元素成鍵行為;德國Martin Friess分析了采用酚醛樹脂前驅(qū)物進行液相滲硅的反應(yīng)規(guī)律;德國Moritz Leschinsky采用生物基原料制備炭纖維等。英國Magda Titirici教授組也在這個會議上展示了如何采用生物基原料通過水熱炭化的技術(shù)路線制作多孔炭材料的研究工作。這種利用生物質(zhì)作為原料,通過有效工藝獲得先進功能材料的方法,能為人類擺脫對化石資源的依賴提供新途徑。相比往屆會議,本次會議傳統(tǒng)炭材料受到高度關(guān)注。在國外學(xué)術(shù)和工業(yè)機構(gòu),還活躍著相當(dāng)一批采用當(dāng)代分析手段,立足應(yīng)用開發(fā)的科研工作者進行著傳統(tǒng)炭材料的深入研究及應(yīng)用推廣。中國炭素同仁在這些領(lǐng)域的展示較少。但是,中國還有石墨化爐的企業(yè)參加展會,介紹中國炭素生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品。建議國內(nèi)的傳統(tǒng)炭素研究者借助國際炭會議這個展示平臺,通過學(xué)術(shù)交流的方式展示中國在傳統(tǒng)炭材料領(lǐng)域的研究和產(chǎn)業(yè)化進展。

(2)低維納米炭是前沿研究中的中流砥柱

富勒烯、炭納米管、石墨烯是近三十年來吸引社會各界關(guān)注炭材料研究的焦點,尤其是近年來受到全社會關(guān)注的石墨烯仍是炭材料基礎(chǔ)科研的重要平臺。相比傳統(tǒng)炭材料,這些低維納米炭材料能夠更好地借助當(dāng)今人類掌握的先進表征工具(例如超高分辨透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜、X射線衍射、同步輻射近邊吸收譜等)。相比活性炭、炭黑、炭纖維這些傳統(tǒng)炭材料,低維納米炭無疑是人類從電子、原子的尺度探測炭科學(xué)最為容易和有效的平臺。所以,盡管這些材料經(jīng)過數(shù)十年的前沿探索,在本次會議上,仍能夠體會到低維納米炭材料的生機勃勃以及其在基礎(chǔ)研究中的中流砥柱作用。中國成會明院士系統(tǒng)地介紹了石墨烯宏觀體及其在儲能中的應(yīng)用進展;西班牙Zoraida Gonzalez介紹了采用液相剪切的方法制備少層石墨烯的新途徑;澳大利亞John Stride闡釋了石墨烯基多級結(jié)構(gòu)雜化物的研究進展;法國Marc Monthioux提出插層路線可獲得導(dǎo)電石墨烯膜的新方法;美國Mauricio Terrones介紹了如何在生長過程中調(diào)控炭納米管及石墨烯中的雜原子;中國陸安慧評述了具有特定納米孔道的多孔炭合成,韓國Kun Hong Lee介紹通過共價交聯(lián)獲得高強度炭納米管纖維的新方法,Youbin Kwon介紹石墨烯-炭納米管雜化薄膜的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性;哈薩克斯坦的Bakhytzhan Lesbayev闡明利用油泥和炭灰催化合成炭納米管的途徑;中國蘇黨生闡述了納米炭作為催化劑及催化劑載體如何在綠色催化中發(fā)揮核心作用,劉暢介紹用于鋰離子電池的炭納米管基電極材料,李靜介紹了石墨烯包覆的聚氨酯復(fù)合物的制備及其防腐特性;英國Graham Rance介紹了納米鈀顆粒限域在炭基孔道的電子行為及其對Suzuki-Miyaura反應(yīng)的調(diào)控規(guī)律?？梢钥吹?這次會議上炭納米管、石墨烯單純合成的研究工作報道難以尋見,但是關(guān)于其精細(xì)結(jié)構(gòu)、電子輸運、表界面調(diào)控、高效復(fù)合、功能協(xié)同等方面的基礎(chǔ)問題關(guān)注度日益提升。中國學(xué)者在此領(lǐng)域表現(xiàn)不俗,在炭納米管、石墨烯及其雜化物等領(lǐng)域內(nèi)起到了引領(lǐng)的作用。

(3)能源與環(huán)境應(yīng)用需要炭材料發(fā)揮其核心作用

當(dāng)今社會亟需與新能源和環(huán)境相關(guān)的材料及過程,而炭材料在能源存儲與轉(zhuǎn)化過程中的作用不可忽視。在眾多分會場中,儲能會場貫穿會議始終,也是會場最大、聽眾最多、交流最為熱烈的會場。各國學(xué)者都從本國社會需求出發(fā),定義未來能源戰(zhàn)略,并結(jié)合炭材料的特點及性能,使其在能源器件中充分發(fā)揮其功能。例如,波蘭Elzbieta Frackowiak闡釋炭的織構(gòu)與雙電層電容之間的構(gòu)效關(guān)系;德國Volker Presser分析炭材料的電導(dǎo)率在雙電層電容過程中的影響及作用機制;比利時Fabien Deschamps闡釋了炭凝膠在質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑層的結(jié)構(gòu)表征結(jié)果;日本Jun Maruyama介紹了Fe-N4活性位對于氧還原過程的作用原理;奧地利Christian Prehal采用原位X射線衍射的方法分析并重構(gòu)炭基超級電容器中的離子全局及表界面局部充放電過程;韓國O Ok Park提出用于高倍率鋰離子電池的石墨烯紙電極;意大利Daniele Pontiroli評述了石墨烯基的鋰離子電池研究進展;美國Arijit Bose描述了用于鋰離子電池高容量、高穩(wěn)定的碳-硅復(fù)合負(fù)極;法國Camelia Matei Ghimbeu闡釋了多孔炭中金屬的離域作用及其對于鋰離子輸運行為的影響;德國Stefan Kaskel介紹鋰硫電池用炭材料的加工過程及器件性能;新加坡陳元介紹了炭基纖維電容器的構(gòu)筑及其高體積能量密度的特點;法國Biao Zhang介紹鈉離子電池用的多孔炭材料特點;德國郝廣平介紹具有能源存儲與轉(zhuǎn)化所需的超級親水特性的多孔炭材料;中國李寶華介紹了用于鋰離子電池的多級結(jié)構(gòu)多孔炭基復(fù)合負(fù)極,李峰介紹了鋰硫電池碳硫復(fù)合正極的設(shè)計原理,范壯軍闡釋了用于高容量、高倍率、高穩(wěn)定超級電容器的石墨烯基材料,宋懷河闡釋二氧化硅模板制備介孔炭材料及其在鋰離子電池中的應(yīng)用,吳丁財描述微孔炭球的無模板合成方法及其在儲能過程中的應(yīng)用,張強介紹了炭材料在鋰硫電池正極、負(fù)極、隔膜中的作用?？梢钥吹?隨著研究的不斷深入,炭材料在燃料電池、超級電容器、鋰離子電容、鈉離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等能源器件中的作用日益凸顯。炭材料可類比為儲能器件中的味精,能夠在極少添加量的情況下發(fā)揮出巨大的作用,展示出炭材料的魅力。

炭材料在環(huán)境應(yīng)用及健康中起到不可或缺的作用。無論是空氣凈化、水處理還是廢棄物催化轉(zhuǎn)化,都可以發(fā)現(xiàn)炭材料的身影。本次世界炭會議仍對炭材料在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用給予了許多關(guān)注。例如,法國Emmanuel Flahaut探討了常規(guī)環(huán)境下納米炭顆粒的暴露對于動物細(xì)胞的毒理學(xué)機制;哈薩克斯坦的Sergey Mikhalovsky闡述活性炭包覆改善血液相容性的影響;伊朗Zahra Sadeghianz報道炭納米管膜脫附廢水中苯酚的機制;意大利Michela Alfe報道了石墨烯基雜化物在生物傳感器及生物醫(yī)藥的應(yīng)用前景;智利Juan Matos闡述焦炭紫外可見光下降解亞甲基藍(lán)的過程;德國Norman Reger-Wagner闡述具有可調(diào)孔結(jié)構(gòu)的炭膜及其氣體分離過程;日本Masaaki Yoshikawa描述了日本高鐵隔音層中活性炭纖維的空氣凈化器;葡萄牙Rui Robeiro報道炭材料催化過氧化降解有機物過程;中國張建展示炭基催化劑轉(zhuǎn)化5-羥甲基糠醛的反應(yīng),張睿介紹TiO2/炭氣凝膠復(fù)合物進行光催化的研究。這些研究工作展示了炭材料在環(huán)境及健康領(lǐng)域的新進展。納米炭的毒性、生物相容性以及其在新環(huán)境、健康過程的新應(yīng)用尤其值得炭素同仁關(guān)注。

(4)分子尺度上的構(gòu)效關(guān)系——打開炭材料心臟的金鑰匙

結(jié)構(gòu)、功能、合成、表征是材料科學(xué)的核心要素,是研究材料的重要角度。構(gòu)筑分子尺度上的構(gòu)效關(guān)系是理解材料、合成材料、利用材料的關(guān)鍵,是打開炭材料科學(xué)大門的金鑰匙。本屆大會首次設(shè)立了“物理及化學(xué)性質(zhì)”、“轉(zhuǎn)化過程”等分會場,從實驗、計算、表征等多個角度理解炭材料科學(xué)基礎(chǔ)。例如,美國Mattias Thommes展示規(guī)則介孔炭中水分子的吸附行為;西班牙Saral Leyva-Garcia介紹原位拉曼光譜研究分子篩模板炭的結(jié)構(gòu);南非Walter Focke展示聚丙烯中石墨阻燃作用的分子機制;美國Mark Thies認(rèn)為芘三聚體是瀝青液晶中間相中最小分子量的稠環(huán)芳烴;法國Clarie Herold揭示金原子層在石墨層間的范德華納米空間中的作用規(guī)律;日本Yasuhira Yamada采用X射線光電子能譜研究硼摻雜的石墨烯;Yasushi Soneda討論最薄石墨膜的結(jié)構(gòu);Fernando Vallejos-Burgos采用動態(tài)多分子吸附方法探測單壁炭納米管的吸附特性;Takashi Yumura描述了氧化石墨烯層間吸附二氧化碳和水分子構(gòu)型;以色列Alexander Panich報道納米金剛石的尺寸依賴特性及原理。這些基礎(chǔ)問題的展示豐富了在分子尺度上對炭材料的認(rèn)識,為設(shè)計開發(fā)新型炭材料提供了堅實的理論基礎(chǔ)和可行的科學(xué)原則。

本次大會頒發(fā)了一系列的獎項,值得一提的是《新型炭材料》名譽主編、中國科學(xué)院院士、中科院金屬研究所成會明研究員榮獲2015年度Utz-HellmuthFelcht獎,以表彰他在炭納米材料及新型能源材料的研究,尤其是在化學(xué)氣相沉積方法制備石墨烯大單晶疇和三維石墨烯泡沫方面的杰出貢獻(xiàn)。Utz-HellmuthFelcht獎由國際著名炭素領(lǐng)域公司德國西格里炭素集團(SGL Group-The Carbon Company)設(shè)立,每兩年評選一次,每次獎勵一名科學(xué)家,今年是第三次頒發(fā)。第一屆和第二屆獲獎人分別是美國佐治亞理工大學(xué)的Walter de Heer教授和德國馬克斯-普朗克學(xué)會高分子研究所的Klaus Mullen教授。此獎也是第一次授予中國科學(xué)家。成會明以“CVD法制備石墨烯膜、大單晶疇及三維宏觀體”為題作了獲獎紀(jì)念特邀報告,受到與會學(xué)者的一致好評。會議最后宣布了Carbon 2016(http://www. outreach.psu.edu/carbon/),Carbon 2017和Carbon 2018的承辦者分別是美國炭素學(xué)會,澳洲炭素學(xué)會和歐洲炭素學(xué)會,依次在美國賓州州立大學(xué)、澳大利亞墨爾本、以及西班牙馬德里市召開。

Innovation with carbon materials ---A report on the annual world conference on carbon,Carbon 2015

ZHANG Qiang
(DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

The annual world conference on carbon,Carbon 2015,was held in Dresden,Germany,and was hosted by the German Carbon Group and German Ceramic Society,during July 12～17,2015.About 582 attendees from 40 countries participated in the conference,and 540 papers were accepted for discussion,including 4 plenary lectures,256 oral presentations,and 280 posters involved in 12 topics,namely,activated carbon,biomass derived carbon,carbon black,carbon fiber and composites,granular/nuclear carbon,natural graphite,nanoforms,industrial,conversion process,physical&chemical properties,environmental&medical, and energy storage.Carbon fiber,graphite,carbon black,and carbon alloy were the subjects of the plenary lectures.The innovation of the traditional carbon materials and new nanocarbon,the critical role of carbon in energy,environment,and healthcare application,as well as the new insights on the relationship of structure and properties at the molecular scale were strongly considered in this event.Carbon materials required continuous innovation to meet the rising requirement of sustainable society.

張 強,博士.E-mail:zhang-qiang@mails.tsinghua.edu.cn;zhangqiangflotu@mail.tsinghua.edu.cn