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| 富勒烯造就新材料傳奇 內蒙古承載富勒烯產(chǎn)業(yè)化 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-09-22 09:38:15 瀏覽次數： |
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今年是富勒烯發(fā)現30周年。9月初，以“碳時(shí)代，創(chuàng )未來(lái)”為主題的2015世界富勒烯大會(huì )在呼和浩特召開(kāi)。大會(huì )全面系統回顧富勒烯從發(fā)現到現在30年的發(fā)展歷程，對最新研究成果與應用產(chǎn)品進(jìn)行展示，探討以富勒烯為代表的碳納米材料如何通過(guò)其產(chǎn)業(yè)化應用創(chuàng )造和改變人類(lèi)的未來(lái)。
 大會(huì )由1996年諾貝爾化學(xué)獎獲得者克羅托爵士擔任主席，邀請到了包括中國科學(xué)院李永舫院士、諾貝爾獎物理學(xué)評委瑞典皇家科學(xué)院院士奧拉·尹剛等在內的富勒烯研究與應用領(lǐng)域最具影響力的全球各地多學(xué)科跨領(lǐng)域的專(zhuān)家、學(xué)者和企業(yè)代表參會(huì )。
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(gè)方面都有非常廣闊的前景，其代表性成員C60等更被譽(yù)為“納米王子”，是許多高新技術(shù)領(lǐng)域潛力巨大的不可替代的材料。記者從大會(huì )上了解到，作為戰略性新材料，我國工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)部已將富勒烯碳納米材料列入《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”重點(diǎn)產(chǎn)品目錄》，鼓勵和扶持我國科技界、企業(yè)界研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的富勒烯碳納米材料。而內蒙古，正承載、見(jiàn)證和培育著(zhù)富勒烯在中國的產(chǎn)業(yè)化。
富勒烯造就新材料傳奇
發(fā)現之旅 曲折而且偶然
富勒烯究竟是什么？它又是怎么發(fā)現的呢？在呼和浩特召開(kāi)的2015世界富勒烯大會(huì )上，與會(huì )的專(zhuān)家學(xué)者給出了詳盡的解答。
據專(zhuān)家介紹，富勒烯是一種新的以單質(zhì)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(yù)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(guò)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(shù)領(lǐng)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(zhì)，都可以被叫做富勒烯。富勒烯就像一塊塊樂(lè )高積木，被組合成各種形態(tài)的衍生物。到目前為止，僅基于C60的富勒烯衍生物就已經(jīng)被合成出幾萬(wàn)種，給富勒烯家族帶來(lái)了極其豐富的性質(zhì)并發(fā)展出大量應用。
富勒烯的發(fā)現是一個(gè)曲折且偶然的過(guò)程。1970年，日本科學(xué)家大澤映二在與兒子踢足球時(shí)受到啟發(fā)，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(fā)表的文章并沒(méi)有引起人們的普遍重視，而大澤映二本人也沒(méi)有繼續對這種分子進(jìn)行研究。1983年，美國天體物理學(xué)家唐納德·哈夫曼和德國物理學(xué)家沃爾夫岡·克拉奇默合作，在對不同形式的碳煙進(jìn)行光譜分析時(shí)發(fā)現了C60和C70的特征峰，但他們卻沒(méi)有意識到這兩種物質(zhì)的存在。1984年，羅爾芬等為了解釋星際塵埃的組成，在實(shí)驗中再次發(fā)現了C60和C70的線(xiàn)索，由于對實(shí)驗結果缺乏理論分析和創(chuàng )新意識，他們也與富勒烯家族的發(fā)現失之交臂。同年，美國化學(xué)家斯莫利發(fā)明了一臺儀器用于半導體和金屬原子簇研究。長(cháng)期從事星際塵埃研究的英國物理學(xué)家哈里·克魯托經(jīng)克爾參觀(guān)了斯莫利的實(shí)驗室后受到啟發(fā)，并建議使用這臺新儀器研究富碳星際塵埃。研究過(guò)程中，C60和C70的特征峰再次出現并終于引起了研究者的關(guān)注。
1985年，英國化學(xué)家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國賴(lài)斯大學(xué)的科學(xué)家理查德·斯莫利、海斯、歐布萊恩和科樂(lè )等人在氦氣流中以激光汽化蒸發(fā)石墨實(shí)驗中首次制得由60個(gè)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(shí)是一個(gè)巨大的挑戰。經(jīng)過(guò)反復思考，克魯托等人從美國著(zhù)名建筑師富勒設計的加拿大蒙特利爾萬(wàn)國博覽會(huì )美國館球形圓頂薄殼建筑獲得了靈感，后者是一個(gè)球形多面體結構的大型建筑物。他們認為C60可能具有類(lèi)似球體的結構，因此將其命名為巴克明斯特·富勒烯，簡(jiǎn)稱(chēng)富勒烯。
在富勒烯發(fā)現之前，碳的同素異形體只有石墨、鉆石、無(wú)定形碳，富勒烯的發(fā)現，宣告了另一種同素異形體的存在。這一發(fā)現震撼了整個(gè)科學(xué)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(xué)獎。而事實(shí)上，自然界也存在富勒烯分子，2010年科學(xué)家們通過(guò)史匹哲太空望遠鏡發(fā)現在外太空中也存在富勒烯。富勒烯發(fā)現30年來(lái)，人們對它的研究始終沒(méi)有停止。與會(huì )專(zhuān)家介紹，初步研究表明，富勒烯類(lèi)化合物在抗HIV、酶活性抑制、切割DNA、光動(dòng)力學(xué)治療等方面有獨特的功效，而展望未來(lái)，富勒烯的應用產(chǎn)業(yè)化已迫在眉睫。
內蒙古承載 富勒烯產(chǎn)業(yè)化
據了解，之所以在內蒙古呼和浩特舉辦世界富勒烯大會(huì )，一個(gè)重要原因就是：在我區呼和浩特市已建立富勒烯生產(chǎn)基地，實(shí)現了從研發(fā)到工業(yè)化的批量生產(chǎn)?？梢哉f(shuō)，內蒙古承載、見(jiàn)證和培育了富勒烯在中國的產(chǎn)業(yè)化。
“我們已經(jīng)實(shí)現了年產(chǎn)300公斤的規?；a(chǎn)能力，而原料的生產(chǎn)是富勒烯邁向科研與應用的基礎。盡管富勒烯已經(jīng)被發(fā)現30多年了，以前一直沒(méi)有規?；a(chǎn)就是因為它的生產(chǎn)難度大。我們公司在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中也曾付出了巨大的努力，才能達到如今富勒烯的工業(yè)化、規?；a(chǎn)。”本次大會(huì )的主辦方之一內蒙古碳谷科技有限公司董事長(cháng)孫永青對記者說(shuō)。
內蒙古碳谷科技有限公司是一家專(zhuān)業(yè)從事富勒烯碳納米材料的研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售及應用咨詢(xún)服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)。它位于內蒙古呼和浩特鴻盛工業(yè)園區，致力于富勒烯碳納米材料的工業(yè)化生產(chǎn)，主要的生產(chǎn)設備均為自主研發(fā)，可實(shí)現14%的生產(chǎn)率。該技術(shù)不但填補了國內空白，而且處于國際領(lǐng)先水平。單條產(chǎn)線(xiàn)可年產(chǎn)百公斤富勒烯，是目前國內外富勒烯生產(chǎn)行業(yè)產(chǎn)率最高的企業(yè)之一。2011年，公司攻克了富勒烯分離的關(guān)鍵技術(shù)，大大提高了分離效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現高純度分離。在制備和分離技術(shù)上擁有完全自主的知識產(chǎn)權，打破了美國、日本在富勒烯產(chǎn)業(yè)上的壟斷地位。
此外，中國科學(xué)院化學(xué)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(kāi)發(fā)煤燃燒法制備富勒烯技術(shù)，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(zhuān)業(yè)從事富勒烯碳納米材料開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、應用和銷(xiāo)售的高新技術(shù)企業(yè)，在研的煤制富勒烯產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)項目解決了生產(chǎn)和純化的關(guān)鍵技術(shù)，目前甲苯輔助石墨燃燒生產(chǎn)富勒烯的中試設備，產(chǎn)率達到國際領(lǐng)先水平，且單條生產(chǎn)線(xiàn)具備每年30公斤富勒烯粗品的生產(chǎn)能力。
據王春儒介紹，因為國內市場(chǎng)容量暫時(shí)有限，今后根據需求還可以進(jìn)一步提高產(chǎn)量，這將讓富勒烯生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低?，F在C60的價(jià)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(chǎn)富勒烯屬于煤炭資源的深加工產(chǎn)品。實(shí)現以富勒烯為主的碳納米材料產(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(gè)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(xué)家前來(lái)交流各自的經(jīng)驗，互相借鑒，為富勒烯的歷史、現狀和未來(lái)而溝通。”孫永青介紹。
作為該領(lǐng)域的權威專(zhuān)家，王春儒研究員在大會(huì )上表示：“諸多異乎尋常的性能，使富勒烯對化學(xué)、物理、材料、醫藥、微電子等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠影響，在應用方面顯示出誘人前景。”
在工業(yè)應用中，富勒烯添加劑可以使潤滑油壽命延長(cháng)30%；富勒烯與堿金屬形成的復合體系是優(yōu)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(kāi)關(guān)和光學(xué)玻璃已研制成功；以富勒烯為關(guān)鍵材料的有機太陽(yáng)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(lǐng)域得到深入應用。
在生命科學(xué)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(fā)展。C60是一種很強的抗氧化物質(zhì)，人們已開(kāi)發(fā)出可以用在保養品中的富勒烯，為人類(lèi)抗肌膚老化帶來(lái)福音。王春儒說(shuō)，富勒烯作為一種新型納米碳材料，在超導、磁性、光學(xué)、催化材料及生物等方面表現出優(yōu)異的性能，有極為廣闊的應用前景。在功能高分子材料領(lǐng)域，已有研究成果表明，將C60、C70的混合物滲入發(fā)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(shù)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(dòng)阻力。
我國作為世界上重要的產(chǎn)業(yè)大國，在未來(lái)的現代化發(fā)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(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的富勒烯技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將具有特殊的戰略性意義。
“我國科學(xué)家在富勒烯和金屬富勒烯領(lǐng)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(chuàng )新成果，在國際上掌握了一定的話(huà)語(yǔ)權。”王春儒說(shuō)，2008年以前，國際富勒烯市場(chǎng)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(zhù)煤燃燒富勒烯合成項目的建成，我國噸量級富勒烯的生產(chǎn)成本已處于較低水平。據了解，富勒烯國內產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展目標是在最近幾年占據全球市場(chǎng)35%的份額，屆時(shí)中國有望成為國際市場(chǎng)的領(lǐng)軍者。而內蒙古作為富勒烯重要的產(chǎn)業(yè)基地之一，發(fā)展前景將十分廣闊。
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