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富勒烯造就新材料傳奇 內蒙古承載富勒烯產業化 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-09-22 09:38:15 瀏覽次數: |
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今年是富勒烯發現30周年。9月初,以“碳時代,創未來”為主題的2015世界富勒烯大會在呼和浩特召開。大會全面系統回顧富勒烯從發現到現在30年的發展歷程,對最新研究成果與應用產品進行展示,探討以富勒烯為代表的碳納米材料如何通過其產業化應用創造和改變人類的未來。
大會由1996年諾貝爾化學獎獲得者克羅托爵士擔任主席,邀請到了包括中國科學院李永舫院士、諾貝爾獎物理學評委瑞典皇家科學院院士奧拉·尹剛等在內的富勒烯研究與應用領域最具影響力的全球各地多學科跨領域的專家、學者和企業代表參會。
富勒烯是一種超級納米材料,在能源、化工、醫療和基礎材料等各個方面都有非常廣闊的前景,其代表性成員C60等更被譽為“納米王子”,是許多高新技術領域潛力巨大的不可替代的材料。記者從大會上了解到,作為戰略性新材料,我國工業和信息產業部已將富勒烯碳納米材料列入《新材料產業“十二五”重點產品目錄》,鼓勵和扶持我國科技界、企業界研發具有自主知識產權的富勒烯碳納米材料。而內蒙古,正承載、見證和培育著富勒烯在中國的產業化。
富勒烯造就新材料傳奇
發現之旅 曲折而且偶然
富勒烯究竟是什么?它又是怎么發現的呢?在呼和浩特召開的2015世界富勒烯大會上,與會的專家學者給出了詳盡的解答。
據專家介紹,富勒烯是一種新的以單質形式存在的碳,具有不尋常的特性,其代表性成員碳60(C60)等更被譽為“納米王子”。其硬度比鉆石還高,韌度是鋼的100倍,導電性超過銅而重量只有銅的六分之一,這樣的特性使其成為許多高新技術領域應用潛力巨大、不可替代的材料。
任何由碳這一種元素組成,以球狀、橢圓狀或管狀結構存在的物質,都可以被叫做富勒烯。富勒烯就像一塊塊樂高積木,被組合成各種形態的衍生物。到目前為止,僅基于C60的富勒烯衍生物就已經被合成出幾萬種,給富勒烯家族帶來了極其豐富的性質并發展出大量應用。
富勒烯的發現是一個曲折且偶然的過程。1970年,日本科學家大澤映二在與兒子踢足球時受到啟發,首先在論文中提出了C60分子的設想。但遺憾的是,由于文字障礙,他的兩篇用日文發表的文章并沒有引起人們的普遍重視,而大澤映二本人也沒有繼續對這種分子進行研究。1983年,美國天體物理學家唐納德·哈夫曼和德國物理學家沃爾夫岡·克拉奇默合作,在對不同形式的碳煙進行光譜分析時發現了C60和C70的特征峰,但他們卻沒有意識到這兩種物質的存在。1984年,羅爾芬等為了解釋星際塵埃的組成,在實驗中再次發現了C60和C70的線索,由于對實驗結果缺乏理論分析和創新意識,他們也與富勒烯家族的發現失之交臂。同年,美國化學家斯莫利發明了一臺儀器用于半導體和金屬原子簇研究。長期從事星際塵埃研究的英國物理學家哈里·克魯托經克爾參觀了斯莫利的實驗室后受到啟發,并建議使用這臺新儀器研究富碳星際塵埃。研究過程中,C60和C70的特征峰再次出現并終于引起了研究者的關注。
1985年,英國化學家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國賴斯大學的科學家理查德·斯莫利、海斯、歐布萊恩和科樂等人在氦氣流中以激光汽化蒸發石墨實驗中首次制得由60個碳組成的碳原子簇結構分子C60。
C60和C70是由固定碳原子數構成的尺寸有限的分子,與金剛石和石墨具有的三維巨型分子結構完全不同,弄清這種新的穩定碳結構,在當時是一個巨大的挑戰。經過反復思考,克魯托等人從美國著名建筑師富勒設計的加拿大蒙特利爾萬國博覽會美國館球形圓頂薄殼建筑獲得了靈感,后者是一個球形多面體結構的大型建筑物。他們認為C60可能具有類似球體的結構,因此將其命名為巴克明斯特·富勒烯,簡稱富勒烯。
在富勒烯發現之前,碳的同素異形體只有石墨、鉆石、無定形碳,富勒烯的發現,宣告了另一種同素異形體的存在。這一發現震撼了整個科學界,克魯托、克爾與斯莫利3人也因此獲得了1996年度諾貝爾化學獎。而事實上,自然界也存在富勒烯分子,2010年科學家們通過史匹哲太空望遠鏡發現在外太空中也存在富勒烯。富勒烯發現30年來,人們對它的研究始終沒有停止。與會專家介紹,初步研究表明,富勒烯類化合物在抗HIV、酶活性抑制、切割DNA、光動力學治療等方面有獨特的功效,而展望未來,富勒烯的應用產業化已迫在眉睫。
內蒙古承載 富勒烯產業化
據了解,之所以在內蒙古呼和浩特舉辦世界富勒烯大會,一個重要原因就是:在我區呼和浩特市已建立富勒烯生產基地,實現了從研發到工業化的批量生產??梢哉f,內蒙古承載、見證和培育了富勒烯在中國的產業化。
“我們已經實現了年產300公斤的規模化生產能力,而原料的生產是富勒烯邁向科研與應用的基礎。盡管富勒烯已經被發現30多年了,以前一直沒有規?;a就是因為它的生產難度大。我們公司在工業化生產過程中也曾付出了巨大的努力,才能達到如今富勒烯的工業化、規?;a。”本次大會的主辦方之一內蒙古碳谷科技有限公司董事長孫永青對記者說。
內蒙古碳谷科技有限公司是一家專業從事富勒烯碳納米材料的研發、生產、銷售及應用咨詢服務的高新技術企業。它位于內蒙古呼和浩特鴻盛工業園區,致力于富勒烯碳納米材料的工業化生產,主要的生產設備均為自主研發,可實現14%的生產率。該技術不但填補了國內空白,而且處于國際領先水平。單條產線可年產百公斤富勒烯,是目前國內外富勒烯生產行業產率最高的企業之一。2011年,公司攻克了富勒烯分離的關鍵技術,大大提高了分離效率和產品質量,實現高純度分離。在制備和分離技術上擁有完全自主的知識產權,打破了美國、日本在富勒烯產業上的壟斷地位。
此外,中國科學院化學所研究員王春儒和他的團隊也一直致力于富勒烯的應用基礎研究,并力圖在成果轉化方面做一些工作。2008年,王春儒團隊與內蒙古京蒙碳納米材料有限公司合作開發煤燃燒法制備富勒烯技術,2011年獲得成功。
據了解,內蒙古京蒙碳納米材料高科技有限責任公司是國內首家專業從事富勒烯碳納米材料開發、生產、應用和銷售的高新技術企業,在研的煤制富勒烯產業化開發項目解決了生產和純化的關鍵技術,目前甲苯輔助石墨燃燒生產富勒烯的中試設備,產率達到國際領先水平,且單條生產線具備每年30公斤富勒烯粗品的生產能力。
據王春儒介紹,因為國內市場容量暫時有限,今后根據需求還可以進一步提高產量,這將讓富勒烯生產成本進一步降低?,F在C60的價格為每克一百多元,預期幾年之后可以降到每克只需花費幾十元。據悉,利用煤生產富勒烯屬于煤炭資源的深加工產品。實現以富勒烯為主的碳納米材料產業化,自治區政府正在力爭把呼和浩特建設成為我國富勒烯碳納米材料的生產基地。
富勒烯應用 顯現誘人前景
“富勒烯作為一種超級納米材料,在能源、化工、醫療和基礎材料等各個方面都有非常廣闊的前景。因此我們邀請了包括諾貝爾獎得主在內的世界頂級科學家前來交流各自的經驗,互相借鑒,為富勒烯的歷史、現狀和未來而溝通。”孫永青介紹。
作為該領域的權威專家,王春儒研究員在大會上表示:“諸多異乎尋常的性能,使富勒烯對化學、物理、材料、醫藥、微電子等領域產生了深遠影響,在應用方面顯示出誘人前景。”
在工業應用中,富勒烯添加劑可以使潤滑油壽命延長30%;富勒烯與堿金屬形成的復合體系是優良的高溫超導材料,其超導臨界溫度高達46K;基于C60光電導性能的光電開關和光學玻璃已研制成功;以富勒烯為關鍵材料的有機太陽能電池光電轉換效率達到6.5%。此外,C60還能夠在半導體、催化劑、蓄電池材料等領域得到深入應用。
在生命科學方面,基于富勒烯的磁共振造影劑、治療癌癥的新型藥劑正在快速發展。C60是一種很強的抗氧化物質,人們已開發出可以用在保養品中的富勒烯,為人類抗肌膚老化帶來福音。王春儒說,富勒烯作為一種新型納米碳材料,在超導、磁性、光學、催化材料及生物等方面表現出優異的性能,有極為廣闊的應用前景。在功能高分子材料領域,已有研究成果表明,將C60、C70的混合物滲入發光高分子材料聚乙烯咔唑中,得到的新型高分子光電導體在靜電復印、靜電成像以及光探測等技術中可廣泛應用。此外,在炭黑中添加少量的富勒烯分子,可以降低膠料的滾動阻力。
我國作為世界上重要的產業大國,在未來的現代化發展中,必將對富勒烯這種基礎核心材料有極大的需求。因此,發展具有自主知識產權的富勒烯技術和產業將具有特殊的戰略性意義。
“我國科學家在富勒烯和金屬富勒烯領域的理論研究、功能化研究、結構表征以及形成機理等方面,取得了一些在國際上具有較大影響的創新成果,在國際上掌握了一定的話語權。”王春儒說,2008年以前,國際富勒烯市場主要由日本、美國、歐盟國家和俄羅斯控制,中國的占有率基本為零。2009年后,隨著煤燃燒富勒烯合成項目的建成,我國噸量級富勒烯的生產成本已處于較低水平。據了解,富勒烯國內產業界的發展目標是在最近幾年占據全球市場35%的份額,屆時中國有望成為國際市場的領軍者。而內蒙古作為富勒烯重要的產業基地之一,發展前景將十分廣闊。
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