广西大学可再生能源材料协同创新中心工作重点之一：石墨烯三维构造粉体材料规模化制备与应用

石墨烯三维构造粉体材料规模化制备与应用

石墨烯是已知強度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料，使得石墨烯在能源、生物技术、电子及网络技术，航天航空和汽车工业等诸多领域展现出宽广的应用前景，因此被称作可以改变世界的“神奇材料”。

目前，市场生产的二维石墨烯粉体材料，主要来源于氧化石墨烯还原的方法，其合成成本高，工艺复杂、污染大。另外，上述方法合成的石墨烯通常受范德华力或悬键作用的影响，制成粉末样品后，易于堆积或团聚成石墨片，失去原有石墨烯材料的许多优良特性，因而使用前需分散于稳定剂中，浓度很低，故不利于石墨烯的广泛使用。此外，商用粉末样品的石墨烯比表面积通常小于100m2/g，大大降低了其使用性能，使得其在很多应用场合下存在一定的局限，难以实现产业应用需求。

石墨烯的三维化是一种能有效防止二维石墨烯之间团聚或堆叠的结构。它不仅保持石墨烯的本征特性，而且拥有独特的自支撑结构和多孔性。另外，它也能提供大的比表面积、高的机械强度和快速的电子和离子传输。因此，被认为是未来石墨烯材料发展的重要方向。

在石墨烯三维构造粉体制备技术方面，广西大学可再生能源材料协同创新中心沈培康教授团队经过多年的研究，发明了创新的石墨烯三维构造粉体的制备方法。该技术与传统石墨烯制备技术相比，具有合成工艺简单，原料来源广泛，成本低廉，可批量化生产。并且通过改变含碳聚合物的种类、金属离子浓度，造孔剂的量实现可控调节石墨烯三维构造粉体产品特性。此方法合成的石墨烯三维多级孔自掺杂（氮、磷、硼等）材料，具有其它碳材料包括商用石墨烯不具备的性质，如超高比表面积、高导电性、自掺杂、多级孔结构等。这些独特性能的石墨烯三维多级孔材料可广泛应用于燃料电池、二次电池和超级电容器等能源领域以及与高分子复合合成具有优异特性的功能性涂料和增强材料，用于电子业、航空航天、汽车制造等领域。

目前，在南宁高新区建有一条自主设计、产年15吨的石墨烯三维构造粉体材料生产线，开发出多种具有特色、性能卓越的石墨烯粉体材料下游应用产品，现已投放市场。在石墨烯产业发展规范方面，制定了5项涵盖石墨烯三维构造粉体材料名词、术语、生产装备、生产技术和检测方法的广西地方标准（为全国首个石墨烯系列标准，2017年1月1日正式生效）。

应用开发实例

一、锂离子动力电池

将石墨烯三维构造粉体材料作为导电添加剂制备出来的锂离子电池具有高功率、内阻低、发热少和循环寿命长的特点，该电池在5C高倍率充放电条件下使用，1万次以上循环容量保持率92.5%，电池自发热温度小于2℃，说明石墨烯在磷酸铁锂颗粒之间形成了有效的导电网络，充分发挥了磷酸铁锂正极材料大倍率下稳定耐用、循环寿命长的特点。

二、润滑脂和调理剂

石墨烯作为润滑助剂添加到润滑油润滑脂中，可大幅调高润滑产品的综合性能如降低摩擦系数、提高极压性。在普通的润滑油中添加1‰的石墨烯三维构造粉体材料，润滑综合性能提高300%以上，调理剂和润滑脂中添加了石墨烯三维构造粉体，有效增强了此类产品的性能。与德国FUCHS URETHYN E2润滑脂相比，滴点从200℃提升到329℃；FUCHS润滑脂的磨痕大于5mm，而改性后降低到0.40mm；体现了优异的耐水性和抗腐蚀性。

三、机械加工化学品

利用石墨烯三维构造粉体材料研发出高性能金属加工切削液和防锈油产品。与传统的产品相比，切削液的润滑，冷却和防腐性能大幅提高，进而有利于提高金属的加工精度和减少磨具的耗损。防锈油在金属加工中间过程和产品存放期间，起防锈作用。添加石墨烯后，盐雾实验证明，防锈作用显著提高。

四、发动机冷却液

石墨烯三维构造粉体材料大幅提高传统冷却液的传热性能100%以上。此项产品除了产品的自身价值之外，对日后汽车发动机散热系统的轻量化设计和降低汽车油耗将起到很大的作用。

五、LED灯

添加石墨烯三维构造粉体材料作为散热材料，LED灯发热可以从90℃降低到70℃，延长了LED灯寿命。

六、功能性涂料

将石墨烯三维构造粉体加入涂料中，可以制得具有优异特殊性质的功能性涂料，主要特点为抗静电、高稳定性、高耐磨性、耐腐蚀等。

目前，此项石墨烯粉体材料规模化制备技术已实现量产，并有明确的下游应用方向，建立了从石墨烯生产原料、装备、生产、销售和下游工程应用的完整产业链。此技术涉及行业众多，这些行业全部加起来我们预测所需石墨烯粉体量将达万吨级。石墨烯的广泛应用将推动传统行业的升级换代，从而推动经济快速发展。

以上工作均依托广西大学可再生能源材料协同创新中心（2016年10月获批“广西电化学能源材料重点实验室培育基地”和“广西石墨烯工程技术中心（组建）”两个区级科研平台）开展。中心于2014年12月正式成立，中心现有办公和实验室面积5000m2，设有实验中心，小试基地和中试基地等。中心人员已发展到40人的团队（教职工14人），科研仪器总值超过8000万元人民币，拥有大批世界先进的大型测试仪器如：现场环境球差校正透射电子显微镜（全国首台）、场发射扫描电子显微镜、原位-高温X射线粉末衍射仪、拉曼光谱仪、同步热分析仪等精密贵重仪器。并都已验收并纳入国家设备共享系统开放使用，现已对外承接送样检测、表征等工作。

本中心定位以“面向应用的基础研究平台”为基本目标，主要研究领域包括石墨烯、燃料电池、二次电池、超级电容器、光/电水解等。本研究中心以“提升广西大学综合实力，推动广西区域经济发展，推进中国-东盟经济一体化，促进‘一带一路经济发展”为导向，以建设国家重点实验室、打造国际一流能源材料研究中心为发展战略目标。

中心主任沈培康博士——广西大学教授、博士生导师，广西石墨烯研究院首席科学家。中国电化学委员会燃料电池分会主席，中国材料研究学会终身会员，广西石墨烯标准化技术委员会主任。主要专长包括燃料电池、超级电容器、和锂离子电池在内的能源材料和装置、纳米功能材料、微观电化学和石墨烯技术。先后承担国家重大科技项目、国家863项目、国家基金委-广东省联合项目、国家自然科学基金国际重大和联合基金项目及产学研等五十余项。迄今为止，共培养了29名博士研究生，59名硕士研究生和10名博士后。在能源材料领域核心专业期刊，如Chem. Rev.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater，Energy & Environ. Sci.等发表论文340余篇，累计ESI论文25篇，h-因子55。工作被广泛引用超万次。2016年获选全球高校能源科学与工程学科最具影响力的高被引150名学者之一，爱思唯尔发布中国高被引学者（能源领域）排名2014年第二名、2015年第三名和2016年第三名。受世界科技出版集团CRC Press和Springer邀请组织编写英文能源材料科技前沿著作4部。作为大会主席主办了6次国际电化学能源材料会议。申请和授权发明专利50余件。因在电化学能源领域做出的科学贡献，2013年获国家自然科学奖二等奖。

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