蓋錫咨詢-5.24-SNEC(2023)第七屆石墨烯前沿應(yīng)用技術(shù)高峰論壇-新材料在智慧能源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)（會(huì)議紀(jì)要）

2023年5月24日，由上海新能源協(xié)會(huì)組織，清華大學(xué)和浙江大學(xué)聯(lián)合主辦的第七屆石墨烯前沿應(yīng)用技術(shù)高峰論壇在上海浦東嘉里大酒店成功舉行，本次論壇主要圍繞新材料在智慧能源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)相關(guān)議題展開探討，本次大會(huì)由林承楨教授主持。

國務(wù)院特殊津貼專家/SNEC組委會(huì)專家委員會(huì)副主席 林承楨 教授

SNEC組委會(huì)專家委員會(huì)副主席林承楨作主題致辭

第七屆石墨烯論壇主題為“新材料在智慧能源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)”，上海新能源協(xié)會(huì)組織了本次大會(huì)，兩家聯(lián)合主辦單位清華大學(xué)和浙江大學(xué)，協(xié)辦單位有中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，中關(guān)村石墨烯產(chǎn)業(yè)園和北京石墨烯研究院為本次會(huì)議保駕護(hù)航。

原國務(wù)院參事/國家能源專家咨詢委員會(huì)副主任/國家氣候變化專家委員會(huì)委員 徐錠明先生

徐錠明：新材料與新能源

當(dāng)前從“互聯(lián)網(wǎng)+”走到了“ChatGPT+”，從“新材料+”走到“石墨烯+”。戰(zhàn)略研究不是研究未來干什么，戰(zhàn)略研究是研究今天干什么才有未來。

徐博士認(rèn)為，站在歷史的十字路口，要回答時(shí)代課題。人類進(jìn)入新能源技術(shù)為引領(lǐng)新的工業(yè)化時(shí)代，工業(yè)化時(shí)代人類的化石能源為基礎(chǔ)打造三個(gè)帝國：一是煤炭帝國、二是石油帝國，三是光電帝國，今年進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代和智能化時(shí)代，我們要?jiǎng)?chuàng)造數(shù)字能源帝國、綠色能源帝國、太空能源帝國、高緯度能源帝國，總稱永續(xù)能源帝國，分為：光伏帝國、風(fēng)電帝國、氫能帝國、生物質(zhì)能帝國、海洋帝國等等統(tǒng)稱綠色能源帝國。

最后，在分享書單的同時(shí)，徐錠明先生進(jìn)行了總結(jié)：一是新時(shí)代需要新材料，二是高質(zhì)量發(fā)展需要新材料，三是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)需要新材料。

清華大學(xué)材料學(xué)院副院長 朱宏偉 教授

朱宏偉：石墨烯與氫能

從哲學(xué)角度可以看到，石墨烯身上會(huì)發(fā)現(xiàn)很多不可能在同一種材料出現(xiàn)的性能如電子和準(zhǔn)光子、強(qiáng)軟、透明度、導(dǎo)體和絕緣體等。在國內(nèi)外，石墨烯研究均獲得了政策和計(jì)劃支持。

石墨烯和氫能之間具有緊密的關(guān)聯(lián)，石墨烯可以和氫之間發(fā)生滲透、催化、輔助生長、氫化等作用，目前太陽能和氫能的相互作用，啟發(fā)了對石墨烯的進(jìn)一步應(yīng)用。在氫氣制備、氫氣分離和提純、氫氣存儲(chǔ)、氫能轉(zhuǎn)換方面，需要大量運(yùn)用含碳材料。

氫能的主題可能不單單是氫，含氫的清潔能源的都可以涵蓋到大的概念中。能源與環(huán)境緊密相關(guān)，智慧能源利用新材料改善環(huán)境，通過控制能量的轉(zhuǎn)換、能量的存儲(chǔ)，結(jié)合電子信息技術(shù)，智慧能源可能要結(jié)合電子信息技術(shù)的發(fā)展。

主題一：石墨烯：新材料賦能新科技與新產(chǎn)業(yè)

韓國國立蔚山科學(xué)技術(shù)研究院多維碳材料中心主任 Rodney S. Ruoff 教授

Rodney S. Ruoff ：“完美”大面積石墨烯與類金剛石單晶薄膜

對于薄膜而言，比較典型的有銅箔、鎳還有復(fù)合型的薄膜，從銅箔的圖樣可以觀察到邊界和晶界。Ruoff 團(tuán)隊(duì)正致力于研究將復(fù)合型的箔改成大量的單晶薄膜的方式。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將銅箔進(jìn)行切割之后，在高溫爐中進(jìn)行加熱，可看到氫氣和其他氣體加入，整個(gè)銅箔如111單銅放到高溫爐加熱后可生成研究圖譜，用于繼續(xù)研究單晶薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，單晶表面中在ICM的生長情況，之后會(huì)成為單晶體結(jié)構(gòu)。如果放到多晶銅的箔之間，同樣的程序比較有間斷性增長和沒有間斷性增長的區(qū)別。AB堆疊雙層石墨烯的實(shí)驗(yàn)中生成了單層的類金剛石材質(zhì)或者是氟化類金剛石的材質(zhì)。通過內(nèi)部設(shè)備可以看到制備樣本，繁漪室，用二氟化氙，約40-60攝氏度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。AB堆層雙層石墨烯的措施測試與合成之下獲得了氟化類金剛石。通過X射線、其他的設(shè)備和其他的方法來進(jìn)行制備，進(jìn)行橫切面的實(shí)踐，最終制備出F-diamane類金剛石，有片層間的間隔。

通過一系列的實(shí)驗(yàn)和成果介紹，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前石墨烯可被運(yùn)用到不同的裝備上，比如成像、TEM包括電子上的折轉(zhuǎn)、講解都可以通過F-diamane實(shí)現(xiàn)。今后將進(jìn)一步探索F-diamane和石墨烯之間的關(guān)聯(lián)，以及晶片的大小和石墨烯單單晶膜之間的關(guān)系，還有電子輻射雙層薄膜，了解間隙代系，以期推動(dòng)未來電子設(shè)備發(fā)展。

國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會(huì)委員/國家石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長 李義春 博士

李義春：石墨烯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李義春博士以線上錄制的形式發(fā)表了精彩報(bào)告。報(bào)告提到，基于全球化視角，不同國家的石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)均處于蓬勃發(fā)展態(tài)勢中，從全球石墨烯專利技術(shù)分布圖可以看到，石墨烯領(lǐng)域的專利技術(shù)分布主要集中在應(yīng)用產(chǎn)品領(lǐng)域，占比為84.2%，制備工藝的占比僅為15.8%。全球石墨烯專利來看重點(diǎn)是在應(yīng)用，石墨烯從前期制備來說已日漸成熟，如何把石墨烯的應(yīng)用通過石墨烯的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生很大的技術(shù)上突破是全球的重點(diǎn)。

反觀國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢，我國石墨烯專利在全球占了72%，中國總體產(chǎn)量達(dá)到1.8萬噸，薄膜產(chǎn)能達(dá)到74.萬平方米。市場規(guī)模2022年達(dá)到了160億，專利申請量累計(jì)8.1萬件，占全球72.12%，從生產(chǎn)能力看，粉體產(chǎn)能1.8萬噸，薄膜產(chǎn)能740萬平米，市場規(guī)模2022年為160億元，2025年預(yù)計(jì)1000億元。中國已經(jīng)成為全球薄膜產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用國。在創(chuàng)新層面，創(chuàng)新投入是歐洲比較多，產(chǎn)業(yè)投入中國比較多，中國主要依靠民間投資。值得高興的是，經(jīng)過十年的不懈努力，國家石墨烯創(chuàng)新重力獲批，目前獲得了政策的大力支持。

展望未來，我國要優(yōu)化國內(nèi)石墨烯創(chuàng)新機(jī)制，同時(shí)加強(qiáng)國際合作，在光伏領(lǐng)域市場越大、企業(yè)越多，競爭越來越激烈的情況下，石墨烯作為新的材料、新的技術(shù)，以今后必將得到更多重視，同時(shí)也能得到各方面的關(guān)注。

主題二：石墨烯+信息+智能

清華大學(xué)集成電路學(xué)院 任天令教授

任天令：石墨烯傳感器與智能應(yīng)用

所有的信息歸類不外乎兩大類，一類是生化類的信息，二是物理類大類信息，圍繞這些人的健康信息參數(shù)監(jiān)測是越來越受關(guān)注的技術(shù)以及應(yīng)用的方向?；诖?，石墨烯研究是一個(gè)非常重要的主題，石墨烯納米電子體系從底層具有一系列的優(yōu)異特性，支撐一系列器件或者是芯片的需求?；诖耍敬沃v話主要圍繞智能傳感應(yīng)用。

近年來，任教授團(tuán)隊(duì)嘗試用激光直寫的方式實(shí)現(xiàn)石墨烯面向一系列應(yīng)用的制成。交流的制成不只是可以獲得石墨烯體系本身，同時(shí)可以出現(xiàn)預(yù)期器件的結(jié)構(gòu)，而且還可以做一系列的功能調(diào)控。一是聲學(xué)方面，例如霍金是漸凍癥患者，利用該技術(shù)可以輔助其進(jìn)行語言聲音交流，增進(jìn)其與外界的互動(dòng)，石墨烯發(fā)聲器起到了重要作用。二是關(guān)于心電系統(tǒng)方面，在諸如新冠對身心功能有損害的情況下，石墨烯心電系統(tǒng)可進(jìn)行心臟健康監(jiān)測。目前，通過核心環(huán)節(jié)的推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)動(dòng)微影的消除。不只是靜態(tài)的過程，坐立，也包括運(yùn)動(dòng)過程中也可以實(shí)現(xiàn)相對比較準(zhǔn)確的心電信息監(jiān)測。

浙江大學(xué)信息電子工程學(xué)院 林時(shí)勝教授

林時(shí)勝：石墨烯-水-半導(dǎo)體

結(jié)合當(dāng)前中國對于石墨烯的產(chǎn)學(xué)研真實(shí)現(xiàn)狀和碳循環(huán)研究的底層邏輯，林時(shí)勝教授拋出了值得深思的幾問：我們中國的科技在世界貢獻(xiàn)到底在哪？我們石墨烯是跟著別人的石墨烯進(jìn)行資源復(fù)制，還是從源頭進(jìn)行創(chuàng)新？借用哲學(xué)家尼采的名言“重估一切價(jià)值”，團(tuán)隊(duì)于2021年開始，從分子層面重新架構(gòu)發(fā)電方式，包括太陽能發(fā)電、動(dòng)態(tài)二極管和水分子發(fā)電。

林時(shí)勝教授提出，由于人類的進(jìn)化是逐級(jí)的，碳循環(huán)是一個(gè)循環(huán)，碳材料可把太陽能電池效率進(jìn)一步提升。傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體異質(zhì)器件無法利用熱電子能量，石墨烯中熱電子壽命長，能量可被有效利用，石墨烯熱電子有機(jī)會(huì)大幅度提升硅晶太陽能電池。團(tuán)隊(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，石墨烯/半導(dǎo)體太陽能電池實(shí)測效率達(dá)到18.5%，是世界最高效率；未來通過工藝優(yōu)化有望達(dá)到23.8%。

林教授提到，科學(xué)家要有武將精神，星星之火，可以燎原，希望未來能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯跟三代半導(dǎo)體的開創(chuàng)性工作，也熱邀了各行各業(yè)的專家前往杭州和浙江大學(xué)去親歷和討論。

主題三：石墨烯+能源+環(huán)境

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)學(xué)院教授/山東利特納米技術(shù)有限責(zé)任公司 侯士峰教授

侯士峰：石墨烯分離膜——從二維到二維膜

報(bào)告中提到，在化學(xué)和化工領(lǐng)域采取的分離技術(shù)，是一個(gè)大小、密度、形成、物理狀態(tài)、化學(xué)狀態(tài)、溶劑與相似性，可以有不同的分離模式，目前發(fā)展最好的是膜分離技術(shù)。

石墨烯基功能性膜分離過程中，片層間形成納米通道，形成二維結(jié)構(gòu)，同時(shí)在石墨烯膜表面加上豐富的官能團(tuán)、實(shí)現(xiàn)各種分子分離，在傳統(tǒng)領(lǐng)域、其他領(lǐng)域有比較廣泛的應(yīng)用。比如，石油化工、苯衍生物分離、烯烴分離、海水鈾和鋰、稀土分離等。利特納米在膜領(lǐng)域也進(jìn)行了積極嘗試，一是導(dǎo)熱膜，二是功能封閉、三是電磁屏蔽。

石墨烯具有可形成多層膜的特點(diǎn)，溶劑分子可以在層與層之間穿過，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，層與層之間石墨烯膜表面基團(tuán)性質(zhì)會(huì)影響溶劑的穿透速率。通過層間距控制、層與層之間建二氧化鈦的納米粒子、放置不同材料和調(diào)節(jié)膜的穩(wěn)定性、把石墨烯和還原氧化石墨烯結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)分離等方法，可以更好的應(yīng)用于新能源領(lǐng)域。

侯士峰教授認(rèn)為，技術(shù)分析領(lǐng)域，石墨烯材料用于膜的分離未來的挑戰(zhàn)是效率、通透量和穩(wěn)定性。

廣西科技大學(xué)/清鹿新材料科技有限責(zé)任公司首席科學(xué)家 周銘教授

周銘：光碳烯云——石墨烯在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

在國家糧食安全、鄉(xiāng)村振興的戰(zhàn)略背景下，用改性石墨烯做協(xié)同增效，用于高效土壤改良的應(yīng)用是一項(xiàng)較大的突破與嘗試。清華大學(xué)朱宏偉教授做了原理性研究，廣西科技大學(xué)進(jìn)行了應(yīng)用基礎(chǔ)研究。其中全資子公司清鹿生物是農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)運(yùn)營主體，主要面向的場景有三個(gè)：一是土壤，二是用工環(huán)境，三是光。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，石墨烯可以起到保水增容作用，讓水分子在石墨烯當(dāng)中可以超快、無摩擦進(jìn)行傳輸，充分發(fā)揮其調(diào)和作用。經(jīng)過不同的對照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加入石墨烯后土壤含水量增加，石墨烯和氮的結(jié)合相對比較高，因此可以鎖住氮肥。

根據(jù)對土壤的交替本質(zhì)的理解，依據(jù)土壤雙電層結(jié)構(gòu)形成機(jī)理，石墨烯添加以后顯著增加了zeta電位，增加了土壤雙電層厚度和雙電層能力，既促進(jìn)水稻有效分裂數(shù)，也促進(jìn)水稻的結(jié)實(shí)率，同時(shí)促進(jìn)水稻的千粒重。通過使用改性石墨烯，進(jìn)行高分子復(fù)配，加強(qiáng)石墨烯在土壤里面團(tuán)粒結(jié)構(gòu)促進(jìn)形成的能力。經(jīng)過現(xiàn)場的淋洗實(shí)驗(yàn)后，石墨烯的加入提升了土壤當(dāng)中包括鋅和銅的含量。

基于相關(guān)研究，周銘教授總結(jié)指出，無論是改土、保水、增容方面的規(guī)律，石墨烯不僅對土有作用，對作物也有很好的作用。

澳門大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院 孫鵬展教授

孫鵬展：高選擇性石墨烯分子滲透膜

任何原子以及分子要想穿透石墨烯薄膜必須透過非常高的能壘，DFT給出最小原子的情況下想要穿透石墨烯晶格，至少需要克服四個(gè)電子伏特的能壘左右。石墨烯為任何原子和分子完全不透，氣體不透性的極限究竟在哪里？基于該問題，孫鵬展教授團(tuán)隊(duì)展開了相關(guān)研究。

對于腔體的研究經(jīng)驗(yàn)表明，氧化硅表面的無定型結(jié)構(gòu)，以及極其粗糙便面與石墨烯之間形成的不完美密封，在高壓的作用下氣體可以進(jìn)入到微腔里面，達(dá)到平等狀態(tài)以后，內(nèi)外壓強(qiáng)相等，因此薄膜不受任何壓力差。

由于器件精度受限，實(shí)驗(yàn)中利用E-beam lithography，以及反應(yīng)粒子速刻時(shí)制造一個(gè)甜甜圈狀的微米尺寸腔體，進(jìn)一步轉(zhuǎn)移單晶石墨烯密封腔體，最后得到了器件結(jié)構(gòu)，非常類似于甜甜圈表面蒙上薄紗。利用單晶器件具有高的靈敏度，基于高的敏感度可以測量以前根本觀測不到的現(xiàn)象。另外，將制備的器件暴露于低能電子束的照射下，加之氣體測試，現(xiàn)象擬合，發(fā)現(xiàn)前指數(shù)的指數(shù)關(guān)系源于強(qiáng)烈的表面吸附，中和了指數(shù)級(jí)別巨大的選擇性，用于解釋為什么理論上計(jì)算的石墨烯怎么好，選擇性特別高，但是實(shí)驗(yàn)上并沒有看到這么高的選擇性原因。

大會(huì)接近尾聲時(shí)，進(jìn)行了一場關(guān)于新材料的突破與變革式應(yīng)用技術(shù)主題的座談會(huì)，參加座談會(huì)的有李義春博士、任天令教授、侯士峰教授、林時(shí)勝教授、周銘教授和孫鵬展教授，進(jìn)行了石墨烯等新材料在新形式下面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)、石墨烯等新材料在變革式應(yīng)用中的核心作用、石墨烯等新材料在信息、能源、環(huán)境、生物等產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的發(fā)展等議題的積極探討。最后，林承楨老師和朱宏偉教授進(jìn)行了大會(huì)的總結(jié)，本次大會(huì)圓滿結(jié)束。