纳米碳材料的发展与机遇
纳
米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100纳米的碳材料。自20世纪80年代中期以来，富勒烯、碳纳米管、石墨烯等一系列碳元素的新型同素异形体被陆续发现，从而掀起了纳米碳材料延续至今的研究热潮。毫无疑问，纳米碳材料是过去30年来材料科学领域最重要的科学发现，其中富勒烯和石墨烯相继获得诺贝尔化学奖和物理奖的殊荣，成为主导未来高技术产业竞争的战略材料。
纳米碳材料具有诸多优异性能，可望在结构和功能增强复合材料、储能、光电检测与转换材料以及微纳电子器件等广阔的领域获得应用，被认为是最有希望获得大规模实际应用的超级纳米材料，并且其研究已经逐渐走出实验室，进入产业化前期阶段。
科学家预测，在未来20年内，纳米碳材料将陆续实现在储能、高强度复合材料、柔性显示器件、光通信、超高频器件、柔性晶体管和数字电路等方面的应用，其新兴产业链将在不远的将来形成并引领战略新兴产业的发展。
因此，纳米碳材料已得到发达国家和地区的政府及企业界的高度重视。美国、日本、欧盟、韩国和新加坡都已启动专门的研究计划。2011年，IEEE和美国国家标准与技术研究院（NIST）开始建立纳米碳材料技术标准。2013年，欧盟启动为期10年、总额10亿欧元的石墨烯旗舰计划；韩国计划投入3.5亿美元开展石墨烯研究，并制定出了详细的商业发展路线图；新加坡政府的石墨烯研究投入也超过1.5亿美元。各大跨国公司纷纷涉足纳米碳材料产业开发，例如日本东丽公司和欧洲阿科玛、Nanocyl公司重点投资碳基透明导电薄膜和高分子导电复合材料等。
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中国的纳米碳材料研究具有雄厚的基础和独特的优势，目前从事纳米碳材料研究的高校和科研院所超过1000家，文章发表量已跃居世界第一，在产业化方面也有突出表现；在碳纳米管和石墨烯的精细结构控制、性能调控以及宏量制备方面做出了一系列原创性和引领性工作，在纳米碳材料的规模化制备和产业化方面发展迅速，处于国际领先地位。
在结构可控及规模化制备方面，国内的优势团队包括北京大学、清华大学、中国科学院金属研究所、中国科学院物理研究所和中国科学院化学研究所等，其中清华大学、中国科学院金属研究所及其相关的合作公司已经在产学研结合方面取得了突出进展；在应用研究方面，我国主要集中于储能、复合材料和透明导电薄膜等领域，在基于纳米碳材料的锂离子电池和超级电容器的电极材料设计、制备、性能改善和储能机制以及复合材料应用中涉及的复合工艺、功能利用及增强机制探索方面开展了大量工作，部分关键成果已逐步走向产业化。随着石墨烯相关应用研究的不断深入，北京大学的刘忠范院士团队首次提出并实现了石墨烯玻璃的制备，其有望成为石墨烯杀手锏级别的关键应用。
需要强调的是，纳米碳材料家族仍蕴藏着极大的拓展空间。2010年，中国科学院化学研究所李玉良院士团队在国际上首次合成出新型纳米碳材料——石墨炔，在纳米碳材料发现史上留下了中国人的足迹。
这种新型碳的同素异形体在具有能带带隙的同时，还保留着远高于硅材料的载流子迁移率。美国《科学》杂志速评指出，这是可望超越石墨烯的新一代纳米碳材料。毫无疑问，石墨炔绝非纳米碳材料家族的末代成员，新的发现还将继续，这也是纳米碳材料的巨大魅力所在。
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当然，我国纳米碳材料研究也存在着明显的不足，缺少旗帜性的标签和体现我国国家目标的战略布局。过去20多年来，国家各部门已资助相关课题1000余项，累计逾10亿元，但基本上都是支持自发的、自由探索式的基础研究，缺少体现国家目标的重点布局，导致我国在原创性探索和前瞻性技术研发方面的能力严重不足。发展具有中国标签的新型纳米碳材料和新兴纳米碳材料产业是我国面临的重要历史机遇。
国家重点研发计划纳米科技专项“纳米碳材料产业化关键技术及重大科学前沿”将着重开展纳米碳材料的原创性探索和前瞻性技术研发两个方面。项目以北京大学为牵头单位，中国科学院金属研究所、清华大学、北京大学、中国科学院化学研究所为承担单位，针对石墨烯和碳纳米管的重大科学前沿与关键产业化技术，在以下4个相辅相成的方面开展研究：
●（1）面向国家重大需求，针对碳纳米管和石墨烯在电子信息、新能源领域的应用，重点研究用于高性能电子级材料、柔性器件用高性能薄膜材料和高效电化学储能用材料的碳纳米管和石墨烯材料的控制制备理论、方法和规模化制备技术，以及面向产业化的放量制备和质量评测方法。
●（2）面向当今社会可持续发展所需的清洁能源以及人们对于消费电子产品小型化、多样性和可变性的需求，在上述纳米碳材料的基础上，针对实际应用中材料的分散与兼容等关键技术开展深入研究，提高活性材料的利用效率，分别发展面向车用动力锂电和高能电容两类储能系统使用的纳米碳材料产品，在动力电池、柔性储能器件中利用纳米碳材料的特性提升器件性能，实现长续航能力的电动汽车和柔性可穿戴系统，并在中短期内获得实际应用。
●（3）石墨烯已经被广泛应用到诸多领域，但其杀手锏级应用还有待开拓。石墨烯与玻璃的结合是新兴纳米材料与传统材料的碰撞，一方面能颠覆性地赋予玻璃导电、导热、疏水、生物相容等不同于常规玻璃的新奇物性，同时又不影响玻璃整体的透明度，依赖石墨烯赋予玻璃的全新属性，可以拓展传统玻璃材料的应用空间，大幅提升产品的科技附加值；另一方面，石墨烯玻璃的开发也能为石墨烯的大规模应用提供重要的切入点，使石墨烯真正走进千家万户，推动石墨烯产业的迅猛发展，同时也将产生巨大的经济效益和社会效益。
●（4）在研究石墨烯和碳纳米管的制备科学和发展产业化关键技术的同时，开展新型纳米碳材料的探索研究。石墨炔是一种具有中国自主知识产权的新型纳米碳材料，具有优良的性能，可以应用在催化、光催化、能源和半导体等领域。项目组将继续深入研究石墨炔的结构、性质和应用，发展大面积高质量石墨炔薄膜的制备方法以及宏量高纯度石墨炔粉末的合成，建立高效、大规模的制备技术，并探索石墨炔材料的新奇现象，深入拓展石墨炔在能源、微纳电子、催化等领域的基础和应用研究。
总之，该项目的实施将进一步扩大中国在碳纳米材料领域的研究优势，推动我国纳米碳材料的产业化，发展具有中国标签的新型纳米碳材料，提高我国在纳米碳材料产业中的核心竞争力；同时将在该领域培养一批高水平人才，建成国际顶级的纳米碳材料研发团队。
致谢： 感谢国家重点研发计划纳米科技专项“纳米碳材料产业化关键技术及重大科学前沿”（项目编号：2016YFA0200100）的支持。
童廉明：北京大学纳米化学研究中心、北京大学化学与分子工程学院副研究员。
张锦：北京大学纳米化学研究中心、北京大学化学与分子工程学院教授。
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