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行业学者共同探讨新材料在智慧能源领域的应用:SNEC 2023第七届石墨烯前沿应用技术高峰论坛在沪举行!

来源:硬科技评论

由上海新能源行业协会为主办单位、清华大学,浙江大学为联合主办单位、中国石墨烯产业技术创新战略联盟为协办单位、中关村石墨烯产业联盟,北京石墨烯研究院为支持单位的SNEC 2023第七届石墨烯前沿应用技术高峰论坛5月24日在上海举行。

新材料是科技进步与产业发展的基石,处于产业链最上游和技术壁垒最高端,为新一轮科技革命和产业革命提供了坚实的物质基础。近年来,新材料的发展已经催生出具有颠覆意义的前沿能源应用技术。可以说,能源革命的本质即是材料科学的革命。

为实现“双碳”目标,本届论坛将承接前六届“石墨烯在光伏领域的技术发展与应用”的主题,进一步延伸为“新材料在智慧能源与环境领域的应用技术”,聚集“三能”(光能+氢能+智能),全面梳理相关理念、材料特性、核心技术和应用场景。物质和能量可以相互转换,材料是物质和能量的“载体”。除了人类正在面临的能源危机之外,诸如环境气候、信息电子、资源利用等各个领域的瓶颈问题从根本上来讲都是“能源”问题。如何最大化地发挥材料的“物质”/“能量”属性是解决能源问题的核心所在。

本届论坛邀请了“产、学、研”国内外学者、专家和光伏行业人士参会交流和研讨,使论坛成为光伏产业与新材料深度融合交流的专业平台。

林承桢 教授级高工,国务院特殊津贴专家;SNEC组委会专家委员会副主席也是论坛的执行主任:我们今天又是一场盛宴,我从感觉上来讲,理论研究和深度应用已经变成了石墨烯的主流,因为每届论坛内容都在发生变化,这个变化都是在深入。我想,石墨烯进一步和能源、新能源,进一步和能源体系以及新型电力系统怎么进一步结合也是我们的主题。今天到会的肯定是有光伏产业的企业,请光伏产业的企业向单位领导做一下汇报,我们可能会组成一个小团队到光伏企业做一次交流,刚才几位的思路都会对光伏转换率有所贡献,贡献大与小,但是总会有贡献。我们仍然是在理论上深入研究,应用上也要深入,这是2024年的主题。

论坛主席为清华大学材料学院副院长朱宏伟教授,以《石墨烯与氢能》作为主题致辞:石墨烯作为新材料的代表应该是在各个领域都有贡献,尤其是在光伏领域。我们这个大会的主题是光伏,由前几年转到各个能源环境。今天我想从氢能的角度,也是结合这次论坛的报告汇总一下,介绍一下石墨烯和氢能能源的关联。

石墨烯它有它的特殊性,石墨烯从哲学的角度是矛盾统一体,我们在石墨烯身上会发现很多不可能在同一种材料出现的性能,这是二维材料或者是第一维材料的认识。石墨烯也是量变引起质变的典型代表,这都是哲学词汇,但是在石墨烯中都可以体会到。

说得细一点,比如最强和最软在石墨烯材料中都可以体验到,最开始质疑石墨烯是透明还是不透明,因为石墨烯很黑,但是又透明,从吸光度角度来讲石墨烯是非常不透明的东西,但是做薄之后就变成了透明的东西。石墨烯在实验上未发现之前存在争议,石墨烯到底是导体还是绝缘体,从这些就可以看出石墨烯获得诺贝尔奖是有原因的,解释了很多争议。虽然石墨烯非常简单,从石墨上撕下来一层,结构应该是最简单,碳的六边形构成,但是能给我们带来很多氢能。

石墨烯获得诺贝尔奖之后,欧盟也是石墨烯的发源地,启动了石墨烯旗舰计划,当年欧盟启动了三个旗舰计划,对比一下就可以知道石墨烯的技术,另两个是脑科学和量子科技,脑科学和量子科技比较容易理解,但是把石墨烯作为它们并列的旗舰计划,可见全球学术界包括产业界对石墨烯的重视。包括疫情期间英国已经是躺平了,完全想群体免疫,但是也没有中断对石墨烯的资助,也体现了对石墨烯材料的重视。

石墨烯作为新材料带给我们新的启示、新的机遇也是新的挑战。它和氢能的关系。氢能2020年引入了国民经济和社会发展的草案,国家很早就重视,尤其是太阳能和氢能的结合,其实也是利用氢能有效方式。我简单过一下,后面几个是偏学术,石墨烯和氢的关系很有渊源,或者说碳材料跟氢的关系非常有渊源。最早储氢都喜欢用碳纳米管,包括活性炭储氢,虽然没有使用,而且结果存在争议,但确实是储氢的一个方式,包括氢化。石墨烯氧化之后叫氧化石墨烯,熟化叫熟化石墨烯等等,氢化是可以调化类似性能。

包括氢离子,可以把石墨烯变得更平整,和碳的作用非常广泛。它是做渗透的,石墨烯的性能争议就是到底透不透,透能透到什么程度?比如最小的气体分子,氦气、氢气,包括氢离子是不是能透过去?怎么透过去,渗透可能又能和催化结合起来,一会儿有专家进行报告,这都是和氢的相互作用。

太阳能和氢能是天然的结合方式,太阳能有地域性和时间性,必须要存储。运输都是问题,可以通过光伏电池、光电催化,把太阳能直接转换成电能或者是化学燃料,转化成化学燃料最重要的就是产氢、制氢,这个时候就可以通过很多电催化、光电催化或者光催化的手段进行不同的组合,和氢能进行很好的结合。后面和我们生活相关的可能就是交通,比如氢燃料电池汽车,涉及到方方面面,如果和太阳能结合起来,从水开始作为原料进行产氢,产氢之后进行压缩、存储、运输、使用几大环节。

第一个环节,石墨烯在内的很多碳材料都有用处,而且很多场合下是非常关键的材料。比如氢气制备要用到电极材料催化、裂解、水分解,这时候用到很多与石墨烯相关的,比如石墨烯这种材料可以作为载体,石墨烯本身也有催化性能,所以可以利用。

第二个环节,氢气的分离和提纯,这是很关键的,包括氢气分子的分离和提纯,也包括同位素,氢各位同位素的分离,这里面又是内容非常多的。

第三个环节,存储。存储反而在这几个环节应用里最开始研究的,最早的氢气怎么存储,这其实是个大问题。最开始最方便的变化就是用高压气瓶,第一代的燃油汽车就是车顶有一个大的压缩气瓶,那是很不方便的。后来开始开发储氢材料,金属基、非金属基,包括碳基,最早碳纳米管、活性炭,现在石墨烯都开始用。

最重要的应用就是氢能转换,以燃料电池为主,和我们生活相关的主要是燃料电池,也涉及多电解质材料、电极、催化材料、隔膜等等,石墨烯这样的纳米材料在这里都发挥了关键作用。

氢能的主题可能不单单是氢,广义上氢能不单单是氢气一个东西,我的理解是含氢的,作为清洁能源的都可以涵盖到大的概念里。现在我们知道和能源相关必然和环境相关,这两个是紧密关联的,所以我们说智慧能源,利用新材料改善我们的环境,通过怎么控制能量的转换、能量的存储,结合电子信息技术,智慧能源可能要结合电子信息技术的发展。

原国务院参事、国家能源专家咨询委员会副主任、国家气候变化专家委员会委员徐锭明先生以《新材料与新能源》做主题致辞:人们对材料认知上有盲区,我写了几句,写了一些哲学的话。首先讲“先知先觉者是创新的领路人,后知后觉者是认识到以后模仿。不知不觉,讲难听的话,闻屁的人。现在很多人还没有认识到材料对中国未来发展的重要性,现在我已经感到非常紧迫。我们从“互联网+”走到了“ChatGPT+”,下面是“新材料+”,进一步做到“石墨烯+”。石墨烯的能力有多大我不讲了,同志们,战略研究不是研究未来干什么,战略研究是研究今天干什么才有未来。昨天大会有讲话,但是几个问题没讲,今天我会讲。

展望未来,没有想象力就没有创新力,没有创新力就没有生产力,未来的中国没有创新就没有经济增长。昨天的不可能、今天的理所当然,今天的不可能是明年的理所当然,对历史我们不要说如果,对未来我们不要说不可能。未来就不讲了。

新材料是实现创新的基石,新材料是推动创新的动力,新材料是中国建设现代化的新基础,新材料是中国碳中和新的地基。没有新材料要实现碳中和是不可能的。这是前面加的几个题目。十年前我曾经在北京教育台讲过,能源革命需要石墨烯,石墨烯推动能源革命。

回到原题目。我们站在历史的十字路口,要回答时代课题。

首先是时代。昨天报告里面很大的问题是没有专家判断当前时代,当前时代中央判断、世界判断是一样的,人类面临着百年未遇大变局,请同志们想一想,能源百年未遇大变局是什么?没有人能回答。最近,IEA(国际能源机构)2023年报告回答了这个问题,人类进入新能源技术为引领新的工业化时代,我的判断比较早,工业化时代人类的化石能源为基础打造三个帝国:一是煤炭帝国、二是石油帝国,三是光电帝国,今年进入数字化时代和智能化时代,人类需要什么样的能源帝国?煤炭帝国英国人创建,走向世界日部落帝国,石油帝国是美国创造的,美元今天还在增长。光电帝国是科学家企业家创建的,爱迪生、特斯拉,威斯汀豪斯写了一本书《光电帝国》,爱迪生失败了。今天我们要创造什么样的帝国?我们要创造数字能源帝国、绿色能源帝国、太空能源帝国、高纬度能源帝国,总称永续能源帝国,分为:光伏帝国、风电帝国、氢能帝国、生物质能帝国、海洋帝国等等统称绿色能源帝国。我写过文章,百度里有。我们第一个要回答的是新时代需要新材料。

高质量发展需要新材料。高质量发展是中国现代化本质要求,从全球看,高质量发展是人类对未来发展和人类生存的再思考。什么叫高质量发展?绿色化发展,数字化发展。绿色化发展、数字化发展是可持续发展的必由之路,是中国建设现代化国家的必由之路,是实现碳中和的必由之路。所以新材料是高质量发展的必需品。

实现双碳任务,完成双碳目标需要新材料。双碳目标我们这代人完不成,需要几代人来完成,北大有个作家叫陈秋繁,写了一本书《零碳中国》,我写了序言,序言里写了,我们不但需要零碳还要负碳,我们要碳达峰、碳中和还要负碳技术,实现双碳任务要几代人的努力,需要青少年参加。实现双碳靠科技,推动双碳靠市场,其中很关键的是新材料。

今天就三条:1.新时代需要新材料、2.高质量发展需要新材料、3.实现双碳目标需要新材料。

同志们,我们正在回答一个问题,新时代面对能源百年未遇的大变局是什么?世界经济数字化转型是必然趋势,新的工业革命要重塑人类社会,所以,我要重申,能源革命需要石墨烯,石墨烯推动能源革命,智慧能源需要新材料,新材料推动智慧能源。从未来看,藤原的百年未遇大变局离不开新材料,风电的发展需要新材料,光伏、光热、光合作用的发展需要新材料,氢能技术发展需要新材料,生物质能技术发展新材料、氢能需要新材料、储能需要新材料、绿能需要新材料,总之未来的能源发展离不了新材料。人类的未来离不开新材料,包括未来的太空能源、高纬度能源离不了新材料。我希望我们人们都是先知先觉,后知后觉者改过来,不知不觉者赶紧向前进,因为我们中国改变政策,从“互联网+”到“ChatGPT+”到“新材料+”到“石墨烯+”。

韩国国立蔚山科学技术研究院多维碳材料中心主任Rodney S. Ruoff做的报告主题:是《“完美”大面积石墨烯与类金刚石单晶薄膜》。

中国石墨烯产业技术创新战略联盟的李义春博士,联盟的秘书长的报告题目是《石墨烯产业现状与发展趋势,更新的题目是石墨烯近十年的现状和未来的趋势》:从全球石墨烯专利来看重点是在应用,石墨烯从前期制备来说已经日渐成熟,只不过是怎么样能品质更好、成本最低,核心是应用,怎么样把石墨烯的应用通过石墨烯的应用在工业领域产生很大的技术上突破,全球的重点还是在这。

看一下中国的整个产业。专利在全球占了72%,中国总体产量达到1.8万吨,薄膜产能达到74.万平方米。市场规模2022年达到了160亿,中国已经成为全球薄膜产业的广泛应用。从创新来说可以说跟全球并跑,但是创新投入是欧洲比较多,产业投入中国比较多,中国主要是靠民间投资而不是政府。

我们一个非常大的喜讯,我们国家石墨烯创新重力获批,这是大家共同努力的结果,这是我们联盟核心单位,30多家核心单位组建了石墨烯创新中心有限公司,通过这个公司申报国家的创新中心,这是联盟的大事。这个创新中心重点是解决4级到7级重点工程化的阶段问题。前期基础研究类的由高校和研究机构,工程方面失败可能比较多,这块是由创新中心完成,到产业化阶段交给企业完成。

总的投入来说,国家工信部在全国布局了几十家创新中心,支持份额最多是2个亿,也有1个亿的,我们达到了最高,工信部支持2个亿。宁波和浙江省匹配支持3个亿,加上股东单位一起支持,这也是石墨烯经过十年的努力,终于结成正果,让国家看到了这个情况,也是积极支持。

浙江大学信息电子工程学院林时胜教授的主题演讲是《先进碳材料与半导体》:在物联网的大背景下,万物互联是一个清晰可见的发展趋势。在此背景下,为电子元器件实时供能是一个迫在眉睫的问题。传统方法存在成本高、更换麻烦等问题,无法满足庞大的数量传感器的能源需求。基于此,发展可靠、便捷和高效的发电器件为其供能,方能解决这个问题。关于发电器件的研究一直在持续推进,如太阳能电池、发电机等。从更深入的角度去理解、探究其内在的分子层面的机理,从分子层面分析出发,从而重构发电器件,以获得性能更佳的发电机,推动信息传感时代继续前进。本次报告从石墨烯太阳能电池、动态二极管发电机以及基于动态二极管的水分子发电进一步阐述从分子层面分析到发电器件重构的过程,以及发电机的应用等。

清华大学集成电路学院任天令教授的主题演讲是《石墨烯传感器与智能应用》:石墨烯作为首个被发现的二维材料,基于其优异的电学、机械学、热学、声学、光学等优异性能,在柔性电子技术领域有着广泛的应用。石墨烯柔性传感器可贴附于人体皮肤、口罩、服装等多个部位,用于检测人体的呼吸、脉搏、声音、心电图、脑电波等多种生理信号。例如石墨烯人工喉是集声音检测和发声于一体的声学传感器,它能识别不同的喉部运动,并将其转换成相应的声音。石墨烯压力传感器可用于步态识别、血压检测、眼压传感等。石墨烯场效应晶体管可用于检测汗水、葡萄糖和眼泪中的其他生物标志物。柔性电子技术结合了材料、生物化学、机械工程、计算机和人工智能等领域的信息。基于这一技术,柔性石墨烯器件将更加可延展、可修复、易降解、集成度更高。其低成本、高效、规模化的深度发展,将在信息、能源、医疗健康、运动监测等领域发挥更重要的作用。

山东农业大学的侯士峰教授的主题演讲是《用于膜分离技术的二维材料分子设计》:石墨烯材料在手性膜分离方面具有巨大的潜力。石墨烯和氧化石墨烯材料很容易被各种手性分子功能化,由于其结构和π电子的存在,石墨烯具有优异的高通量特性。本报告介绍手性选择性分离膜的方法将推动由2D层组成的手性膜的开发及其潜在应用。

 
 

广西科技大学,清鹿新材料科技有限责任公司首席科学家周铭教授的主题演讲是《光碳烯云:石墨烯在环境领域的应用》:石墨烯与二维材料在能源、信息、环境等领域已取得了重大突破。本报告主要讨论以石墨烯为代表的新型材料在环境治理和土壤改良中的新应用。

澳门大学孙鹏展教授主题演讲是《石墨烯的渗透》主要了解一下石墨烯与水的相互作用。石墨烯等具有埃级孔隙的二维晶体是下一代分子分离技术的候选材料,可提供指数级的选择性和超高流速。本次演讲将介绍关于石墨烯孔的气体渗透相关研究。结果表明,氦和氢很容易通过孔隙渗透,而氙和甲烷等较大分子被堵塞。本研究揭示了二维多孔膜材料实现指数选择性渗透的严格条件,并对其在实际应用中的限制进行了讨论。

专题座谈:“新材料的突破与变革式应用技术”主持人:朱宏伟 教授/林承桢 教授

讨论议题:石墨烯等新材料在新形式下面临的机遇和挑战(现状分析)、石墨烯等新材料在变革式应用中的核心作用(材料特性与应用场景)和石墨烯等新材料在信息、能源、环境、生物等产业技术中的发展(解决方案与行动计划)。清华大学集成电路学院任天令教授、山东农业大学侯士峰教授、浙江大学信息电子工程学院林时胜教授、广西科技大学,清鹿新材料科技有限责任公司首席科学家周铭教授和澳门大学应用物理及材料工程研究院孙鹏展助理教授共同探讨了新材料的突破与变革式应用技术。