引領新材料的革命
——記復旦大學高分子科學系教授盧紅斌

本刊記者 祝傳海

盧紅斌教授

2004年，英國曼切斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫制成了石墨烯材料，自那時起，石墨烯在全球范圍內掀起研究和產業(yè)化熱潮。

石墨烯，一個被稱為21世紀的神奇材料。它的厚度相當于一個碳原子，其強度是結構鋼的200倍，是迄今為止厚度最薄、強度最高的材料，其導電導熱性質優(yōu)于常規(guī)金屬。憑借其突出的物理化學性質，石墨烯成為我國“十三五”規(guī)劃中的前沿新材料之一。

然而，開發(fā)石墨烯新材料離不開低成本、高效率的制備技術。2013年10月29日，復旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室盧紅斌團隊提出了一種低成本、可規(guī)模化液相剝離制備高質量石墨烯的新技術。這可能成為迄今為止所有高質量石墨烯制備技術中技術路線最為簡潔高效、成本最為低廉（成本估算小于0.1元/克），且能和下游產品形成良好銜接的可規(guī)?；苽浼夹g。如今，他正和團隊走在我國石墨烯研究從實驗室向產業(yè)化過渡的路上。

石墨烯產業(yè)化時代

2015年3月2日，全球首批3萬部量產石墨烯手機在重慶發(fā)布，開啟了石墨烯產業(yè)化應用的新時代。此外，石墨烯將被列入國家的“十三五”規(guī)劃，并有設立的100億新興產業(yè)創(chuàng)投基金加速石墨烯產業(yè)的發(fā)展。國家計劃在兩年內實現石墨烯的產業(yè)化應用。

早在2008年，盧紅斌團隊便注意到石墨烯的一些獨特性質，“它既是納米的一個片層，同時又是一個碳材料，且具有很好的導電、導熱性，我們想知道它能不能與聚合物結合起來，于是便開始了石墨烯復合材料的研究”。

隨著聚合物材料和復合材料等輕質材料在汽車部件中的應用逐年增加，發(fā)展汽車輕量化技術和新能源汽車已成為迫在眉睫的關鍵性任務。在這一需求下，盧紅斌選定了自己的研究方向。他介紹說，石墨烯可從兩個方面促進車用材料的高性能化，一是車用材料的輕量化，二是車用儲能材料的高性能化。在保證汽車強度和安全性前提下，輕量化技術可以盡可能降低整車重量、提高動力性、降低燃料消耗，而這些主要是通過合理的結構設計和材料選擇來實現的。通常而言，整車重量降低10%，燃油效率可提高6～8%，汽車重量每減輕100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升，CO2排放可減少5克/公里。

在盧紅斌看來，石墨烯能夠顯著改善聚合物材料的力學、熱學、電學、阻燃以及尺寸穩(wěn)定性，可望在車用塑料薄壁化、抗紫外線、阻燃改性等多個領域發(fā)揮無可替代的重要作用。鋰電池是新能源汽車的核心部件，其成本幾乎占總成本的一半左右，其正負極電極材料成為制約其性能提高的關鍵因素。除了一些常規(guī)活性正極材料以外，二硫化鉬納米片層與石墨烯的結合也在鋰電池正極材料領域展示了突出的性能優(yōu)勢。這方面關鍵的阻力來自二硫化鉬納米片層可規(guī)?；苽浼夹g的限制。

而盧紅斌團隊提出了一種新穎、高效的二硫化鉬可規(guī)模化制備技術。它允許微米尺寸二硫化鉬在常溫下、1小時內實現高達60%的片層剝離效率，與石墨烯結合后，可在鋰電池正極材料中顯示出比磷酸鐵鋰高出4倍以上充放電容量（～700mAh/g），可望與高性能硅碳負極材料（～700mAh/g）結合，實現比現有鋰電池高出至少2倍以上的充放電容量和優(yōu)異的倍率及循環(huán)性能。目前，該項技術已經申請中國發(fā)明專利，相關中試放大實驗也在進行中。

“石墨烯是一個新興行業(yè)，人們對它的理解還有一個過程。經過多年的探索，我們已經形成了一些重要的基礎理解和新技術。通過與企業(yè)進行針對性交流和溝通后，期望能把這些新技術最終形成產品并應用到像汽車、涂料、新能源等領域?！北R紅斌預言，“2015年將成為中國石墨烯產業(yè)爆發(fā)元年”。

“從事科研是一件很自然的事情”

“對科研的興趣，更多是源于我兒時生長環(huán)境的影響”。盧紅斌早年生活在航天部的一個研究所，“所里的科研氛圍十分濃厚，大家都希望在科研上能做出成績、為國家做點事情，這種氛圍實際上對我世界觀的形成有比較大的影響”。在科研方向的選擇上，盧紅斌認為，這是一個順理成章的事情，“在讀書期間，導師的引領對我們的學習方法和科研模式有直接的影響。對未知領域的好奇心會形成一種強大的驅動力，促使我們不斷學習和探索”。

2000年，盧紅斌在復旦大學高分子科學系從事通用高分子材料高性能化的博士后研究。雖然高分子的應用比較廣泛，但如何進一步提高它們的性價比、賦予更多的功能性仍是亟待解決的重要問題?！捌鸪?，人們會在高分子中加一些添加劑，來降低它的成本，同時提高它的力學性能。但隨著材料技術的發(fā)展與進步，這些已不能滿足人們的需求。人們開始尋求功能性的添加劑，碳納米管和石墨烯則成為一個很自然的選擇?！?/p>

兩年后，盧紅斌奔赴美國，在南加州大學做聚合物納米復合材料的博士后研究。盡管之后導師希望他能夠留在課題組繼續(xù)從事科研和教學工作，但他還是于2004年7月中旬回到復旦高分子科學系?！跋噍^于國外，中國的發(fā)展充滿活力，更加吸引年輕人”。再次回到復旦，盧紅斌充滿感激，“復旦是一個開放和包容的平臺，它能夠給年輕人提供很好的成長環(huán)境，對許多留學歸來的學者會給予一定的資助，盡管數目不大，但對一個新人而言是非常寶貴的”。

2008年，盧紅斌帶領他的研究團隊開始了對石墨烯復合材料的研究，“經過7年的發(fā)展，具有自主知識產權的低成本、高性能石墨烯制備技術和復合材料制備技術已經成熟。預計今年，相應的石墨烯和復合材料產品將會相繼進入市場，更多新穎的石墨烯新材料技術和產品開發(fā)工作也已全面展開”，盧紅斌向記者介紹。

積跬步，致千里

創(chuàng)新始終是科研的一個主題。沒有創(chuàng)新，科研就會失去意義和價值。然而在科學的道路上，每一個新的發(fā)現都是在前人研究的基礎上，通過不斷地探索，尋求問題的答案。

2008年，盧紅斌帶領的研究團隊想把石墨烯作為一個添加劑放在聚合物中，但石墨烯和聚合物是無法相容的，“我們遇到的第一個問題就是如何讓石墨烯和高分子材料很好的結合在一起，所以要想出一些新的方法對石墨烯進行修飾”。經過一年的摸索，他們率先提出了在石墨烯表面可控接枝高分子鏈的新方法?，F在，這一重要成果已被主要世界頂級化學和材料綜述期刊論文廣泛引用，累計他人引用近700次。

在研究過程中，盧紅斌團隊和產業(yè)界建立了密切的聯(lián)系。通過與企業(yè)合作，共同承擔國家的一些大項目，他深切地感受到，“從工業(yè)界里面延伸出的一些關鍵的基礎問題，需要在高分子材料領域著力地去研究，這是非常有吸引力的。”而他們的技術正是為解決工業(yè)生產中的關鍵問題以及市場期待的新材料和新產品建立了基礎?！爱敃r，石墨烯的成本比較高昂，甚至比黃金還貴。我們意識到，如果想要將其產業(yè)化，石墨烯的制備是一個很重要的問題。這促使我們必須建立一個新的方法，來實現石墨烯低成本、高效率的制備?！北R紅斌向記者介紹道，“解決這個問題并非一帆風順，因為認識本身也是一個逐漸積累和完善的過程。我們需要從基礎角度先把思路理清楚，然后以盡可能少的嘗試來建立切實可行的技術方案”。

經過幾年的探索，盧紅斌團隊終于在2012年看到了希望。一年之后，他們初步形成了一套比較系統(tǒng)的石墨烯低成本、高質量制備技術，并于2013年10月29日申請公開了低成本、可規(guī)模化液相剝離制備高質量石墨烯的新技術。該技術全部制備過程均是在室溫、環(huán)境條件下完成的，制備的石墨烯單層產率可達90%，且無需任何還原步驟。制備的石墨烯片層具有極高的C/O比（C/O比大于20，比氧化石墨烯的C/O比高一個數量級，且能以極高濃度分散于堿性水溶液中或以濾餅形式進行儲存和運輸，徹底解決了石墨烯與下游應用的關鍵環(huán)節(jié)。

盧紅斌向記者回憶道，“由于獨特的二維特性和表面疏水性質，石墨烯只能在少數有機溶劑中穩(wěn)定分散，在水中通常會聚集，因此如何讓石墨烯在水中形成高濃度穩(wěn)定分散是極具挑戰(zhàn)性的”。此外，由于石墨烯片層會在空中飄散，對人體和環(huán)境將會造成一定影響。解決這個問題，不僅可以降低成本，還能優(yōu)化工藝流程，減少其對人和環(huán)境的損害?！叭绾螌崿F石墨烯有效儲存、運輸以及與下游應用之間的銜接就成了一個制約其發(fā)展的核心問題?！焙髞?，他們發(fā)現，當在二維石墨烯片層上引入極少量含氧可電離官能團后，利用其在堿性條件下較強的靜電排斥作用，不僅可以改善與水分子的親和性，也能提高石墨烯在液相中的分散穩(wěn)定性以及與下游產品應用的銜接。

盧紅斌教授團隊成員合影

授業(yè)有道，感念師恩

“博學而篤志，切問而近思”，復旦大學濃郁的學習氛圍以及它的包容與開放，吸引著無數學子。在采訪過程中，盧紅斌多次提到復旦大學給予他的支持以及導師對他的影響?！盎貒鴷r，我的導師承擔的課題是發(fā)展具有國際先進水平的燃氣管道專用材料。當時，天然氣的輸送所用的管道多不再采用金屬材料，而是高分子復合材料，但這方面我國長期依賴進口，使得一些國家重大工程例如‘西氣東輸’等材料選擇上不得不受制于人?！?/p>

通過參與導師承擔的國家重大項目，他體會到將科學研究與國家重大戰(zhàn)略需求相結合的重要性?！皬偷┙o我們提供了一個很好的平臺，使我們充分接觸到符合國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要課題，從中汲取了很多經驗，為后續(xù)進一步發(fā)展奠定了基礎?！?/p>

在如何培養(yǎng)學生這個問題上，“我覺得最重要的一點，鼓勵他們去大膽嘗試，為他們提供一個可以盡情施展才華的舞臺。”據盧紅斌介紹，組會是他們組內學生展現聰明才智的好機會，“通過這種方式展示大家在學術方面的進展，同時也提出在科研當中遇到的問題，并及時進行探討，確定解決方案。這種方式對每位成員都是公平的，也激勵大家更好地做出有創(chuàng)意、有新意的工作。”

一位合格的科研工作者，不僅需要專業(yè)知識的積累，更要勇于探索和創(chuàng)新。在探索過程中，困難和困惑是難免的，尤其是對于剛起步的科研人員來說，會感到十分苦悶，甚至出現比較大的心理波動?！斑@時候導師的介入和鼓勵會很重要，告訴他們這個方向是否正確，解決目前問題可能的途徑和方法等對其今后的發(fā)展起著很大作用。”盧紅斌認為，在科研工作中不僅要有知識的積累，也要有信心的積累。“在前人還沒有探索過的一些方面，希望學生能大膽迎接挑戰(zhàn)、敢于攻堅克難”。

回到復旦大學十多年，盧紅斌在科研與教學之間付出了大量的心血?！澳贻p的時候，我愛音樂、愛運動，但現在都沒有時間了?！蹦軌蛟陂e暇時間陪伴家人，是他最大的滿足。數年來，正因為他帶領團隊不斷探索，才會不斷取得突破。他認為，沒有創(chuàng)新的科研，便失去了意義和價值，創(chuàng)新不僅僅局限于科研，也存在于團隊管理與建設等方面。