行業(yè)學者共同探討新材料在智慧能源領(lǐng)域的應(yīng)用：SNEC 2023第七屆石墨烯前沿應(yīng)用技術(shù)高峰論壇在滬舉行！
來源：硬科技評論
由上海新能源行業(yè)協(xié)會為主辦單位、清華大學，浙江大學為聯(lián)合主辦單位、中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟為協(xié)辦單位、中關(guān)村石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，北京石墨烯研究院為支持單位的SNEC 2023第七屆石墨烯前沿應(yīng)用技術(shù)高峰論壇5月24日在上海舉行。
新材料是科技進步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石，處于產(chǎn)業(yè)鏈最上游和技術(shù)壁壘最高端，為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，新材料的發(fā)展已經(jīng)催生出具有顛覆意義的前沿能源應(yīng)用技術(shù)。可以說，能源革命的本質(zhì)即是材料科學的革命。
為實現(xiàn)“雙碳”目標，本屆論壇將承接前六屆“石墨烯在光伏領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用”的主題，進一步延伸為“新材料在智慧能源與環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)”，聚集“三能”（光能+氫能+智能），全面梳理相關(guān)理念、材料特性、核心技術(shù)和應(yīng)用場景。物質(zhì)和能量可以相互轉(zhuǎn)換，材料是物質(zhì)和能量的“載體”。除了人類正在面臨的能源危機之外，諸如環(huán)境氣候、信息電子、資源利用等各個領(lǐng)域的瓶頸問題從根本上來講都是“能源”問題。如何最大化地發(fā)揮材料的“物質(zhì)”/“能量”屬性是解決能源問題的核心所在。
本屆論壇邀請了“產(chǎn)、學、研”國內(nèi)外學者、專家和光伏行業(yè)人士參會交流和研討，使論壇成為光伏產(chǎn)業(yè)與新材料深度融合交流的專業(yè)平臺。
林承楨 教授級高工，國務(wù)院特殊津貼專家；SNEC組委會專家委員會副主席也是論壇的執(zhí)行主任：我們今天又是一場盛宴，我從感覺上來講，理論研究和深度應(yīng)用已經(jīng)變成了石墨烯的主流，因為每屆論壇內(nèi)容都在發(fā)生變化，這個變化都是在深入。我想，石墨烯進一步和能源、新能源，進一步和能源體系以及新型電力系統(tǒng)怎么進一步結(jié)合也是我們的主題。今天到會的肯定是有光伏產(chǎn)業(yè)的企業(yè)，請光伏產(chǎn)業(yè)的企業(yè)向單位領(lǐng)導做一下匯報，我們可能會組成一個小團隊到光伏企業(yè)做一次交流，剛才幾位的思路都會對光伏轉(zhuǎn)換率有所貢獻，貢獻大與小，但是總會有貢獻。我們?nèi)匀皇窃诶碚撋仙钊胙芯?，?yīng)用上也要深入，這是2024年的主題。
論壇主席為清華大學材料學院副院長朱宏偉教授，以《石墨烯與氫能》作為主題致辭：石墨烯作為新材料的代表應(yīng)該是在各個領(lǐng)域都有貢獻，尤其是在光伏領(lǐng)域。我們這個大會的主題是光伏，由前幾年轉(zhuǎn)到各個能源環(huán)境。今天我想從氫能的角度，也是結(jié)合這次論壇的報告匯總一下，介紹一下石墨烯和氫能能源的關(guān)聯(lián)。
石墨烯它有它的特殊性，石墨烯從哲學的角度是矛盾統(tǒng)一體，我們在石墨烯身上會發(fā)現(xiàn)很多不可能在同一種材料出現(xiàn)的性能，這是二維材料或者是第一維材料的認識。石墨烯也是量變引起質(zhì)變的典型代表，這都是哲學詞匯，但是在石墨烯中都可以體會到。
說得細一點，比如最強和最軟在石墨烯材料中都可以體驗到，最開始質(zhì)疑石墨烯是透明還是不透明，因為石墨烯很黑，但是又透明，從吸光度角度來講石墨烯是非常不透明的東西，但是做薄之后就變成了透明的東西。石墨烯在實驗上未發(fā)現(xiàn)之前存在爭議，石墨烯到底是導體還是絕緣體，從這些就可以看出石墨烯獲得諾貝爾獎是有原因的，解釋了很多爭議。雖然石墨烯非常簡單，從石墨上撕下來一層，結(jié)構(gòu)應(yīng)該是最簡單，碳的六邊形構(gòu)成，但是能給我們帶來很多氫能。
石墨烯獲得諾貝爾獎之后，歐盟也是石墨烯的發(fā)源地，啟動了石墨烯旗艦計劃，當年歐盟啟動了三個旗艦計劃，對比一下就可以知道石墨烯的技術(shù)，另兩個是腦科學和量子科技，腦科學和量子科技比較容易理解，但是把石墨烯作為它們并列的旗艦計劃，可見全球?qū)W術(shù)界包括產(chǎn)業(yè)界對石墨烯的重視。包括疫情期間英國已經(jīng)是躺平了，完全想群體免疫，但是也沒有中斷對石墨烯的資助，也體現(xiàn)了對石墨烯材料的重視。
石墨烯作為新材料帶給我們新的啟示、新的機遇也是新的挑戰(zhàn)。它和氫能的關(guān)系。氫能2020年引入了國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的草案，國家很早就重視，尤其是太陽能和氫能的結(jié)合，其實也是利用氫能有效方式。我簡單過一下，后面幾個是偏學術(shù)，石墨烯和氫的關(guān)系很有淵源，或者說碳材料跟氫的關(guān)系非常有淵源。最早儲氫都喜歡用碳納米管，包括活性炭儲氫，雖然沒有使用，而且結(jié)果存在爭議，但確實是儲氫的一個方式，包括氫化。石墨烯氧化之后叫氧化石墨烯，熟化叫熟化石墨烯等等，氫化是可以調(diào)化類似性能。
包括氫離子，可以把石墨烯變得更平整，和碳的作用非常廣泛。它是做滲透的，石墨烯的性能爭議就是到底透不透，透能透到什么程度？比如最小的氣體分子，氦氣、氫氣，包括氫離子是不是能透過去？怎么透過去，滲透可能又能和催化結(jié)合起來，一會兒有專家進行報告，這都是和氫的相互作用。
太陽能和氫能是天然的結(jié)合方式，太陽能有地域性和時間性，必須要存儲。運輸都是問題，可以通過光伏電池、光電催化，把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能或者是化學燃料，轉(zhuǎn)化成化學燃料最重要的就是產(chǎn)氫、制氫，這個時候就可以通過很多電催化、光電催化或者光催化的手段進行不同的組合，和氫能進行很好的結(jié)合。后面和我們生活相關(guān)的可能就是交通，比如氫燃料電池汽車，涉及到方方面面，如果和太陽能結(jié)合起來，從水開始作為原料進行產(chǎn)氫，產(chǎn)氫之后進行壓縮、存儲、運輸、使用幾大環(huán)節(jié)。
第一個環(huán)節(jié)，石墨烯在內(nèi)的很多碳材料都有用處，而且很多場合下是非常關(guān)鍵的材料。比如氫氣制備要用到電極材料催化、裂解、水分解，這時候用到很多與石墨烯相關(guān)的，比如石墨烯這種材料可以作為載體，石墨烯本身也有催化性能，所以可以利用。
第二個環(huán)節(jié)，氫氣的分離和提純，這是很關(guān)鍵的，包括氫氣分子的分離和提純，也包括同位素，氫各位同位素的分離，這里面又是內(nèi)容非常多的。
第三個環(huán)節(jié)，存儲。存儲反而在這幾個環(huán)節(jié)應(yīng)用里最開始研究的，最早的氫氣怎么存儲，這其實是個大問題。最開始最方便的變化就是用高壓氣瓶，第一代的燃油汽車就是車頂有一個大的壓縮氣瓶，那是很不方便的。后來開始開發(fā)儲氫材料，金屬基、非金屬基，包括碳基，最早碳納米管、活性炭，現(xiàn)在石墨烯都開始用。
最重要的應(yīng)用就是氫能轉(zhuǎn)換，以燃料電池為主，和我們生活相關(guān)的主要是燃料電池，也涉及多電解質(zhì)材料、電極、催化材料、隔膜等等，石墨烯這樣的納米材料在這里都發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
氫能的主題可能不單單是氫，廣義上氫能不單單是氫氣一個東西，我的理解是含氫的，作為清潔能源的都可以涵蓋到大的概念里?，F(xiàn)在我們知道和能源相關(guān)必然和環(huán)境相關(guān)，這兩個是緊密關(guān)聯(lián)的，所以我們說智慧能源，利用新材料改善我們的環(huán)境，通過怎么控制能量的轉(zhuǎn)換、能量的存儲，結(jié)合電子信息技術(shù)，智慧能源可能要結(jié)合電子信息技術(shù)的發(fā)展。
原國務(wù)院參事、國家能源專家咨詢委員會副主任、國家氣候變化專家委員會委員徐錠明先生以《新材料與新能源》做主題致辭：人們對材料認知上有盲區(qū)，我寫了幾句，寫了一些哲學的話。首先講“先知先覺者是創(chuàng)新的領(lǐng)路人，后知后覺者是認識到以后模仿。不知不覺，講難聽的話，聞屁的人。現(xiàn)在很多人還沒有認識到材料對中國未來發(fā)展的重要性，現(xiàn)在我已經(jīng)感到非常緊迫。我們從“互聯(lián)網(wǎng)+”走到了“ChatGPT+”，下面是“新材料+”，進一步做到“石墨烯+”。石墨烯的能力有多大我不講了，同志們，戰(zhàn)略研究不是研究未來干什么，戰(zhàn)略研究是研究今天干什么才有未來。昨天大會有講話，但是幾個問題沒講，今天我會講。
展望未來，沒有想象力就沒有創(chuàng)新力，沒有創(chuàng)新力就沒有生產(chǎn)力，未來的中國沒有創(chuàng)新就沒有經(jīng)濟增長。昨天的不可能、今天的理所當然，今天的不可能是明年的理所當然，對歷史我們不要說如果，對未來我們不要說不可能。未來就不講了。
新材料是實現(xiàn)創(chuàng)新的基石，新材料是推動創(chuàng)新的動力，新材料是中國建設(shè)現(xiàn)代化的新基礎(chǔ)，新材料是中國碳中和新的地基。沒有新材料要實現(xiàn)碳中和是不可能的。這是前面加的幾個題目。十年前我曾經(jīng)在北京教育臺講過，能源革命需要石墨烯，石墨烯推動能源革命。
回到原題目。我們站在歷史的十字路口，要回答時代課題。
首先是時代。昨天報告里面很大的問題是沒有專家判斷當前時代，當前時代中央判斷、世界判斷是一樣的，人類面臨著百年未遇大變局，請同志們想一想，能源百年未遇大變局是什么？沒有人能回答。最近，IEA（國際能源機構(gòu)）2023年報告回答了這個問題，人類進入新能源技術(shù)為引領(lǐng)新的工業(yè)化時代，我的判斷比較早，工業(yè)化時代人類的化石能源為基礎(chǔ)打造三個帝國：一是煤炭帝國、二是石油帝國，三是光電帝國，今年進入數(shù)字化時代和智能化時代，人類需要什么樣的能源帝國？煤炭帝國英國人創(chuàng)建，走向世界日部落帝國，石油帝國是美國創(chuàng)造的，美元今天還在增長。光電帝國是科學家企業(yè)家創(chuàng)建的，愛迪生、特斯拉，威斯汀豪斯寫了一本書《光電帝國》，愛迪生失敗了。今天我們要創(chuàng)造什么樣的帝國？我們要創(chuàng)造數(shù)字能源帝國、綠色能源帝國、太空能源帝國、高緯度能源帝國，總稱永續(xù)能源帝國，分為：光伏帝國、風電帝國、氫能帝國、生物質(zhì)能帝國、海洋帝國等等統(tǒng)稱綠色能源帝國。我寫過文章，百度里有。我們第一個要回答的是新時代需要新材料。
高質(zhì)量發(fā)展需要新材料。高質(zhì)量發(fā)展是中國現(xiàn)代化本質(zhì)要求，從全球看，高質(zhì)量發(fā)展是人類對未來發(fā)展和人類生存的再思考。什么叫高質(zhì)量發(fā)展？綠色化發(fā)展，數(shù)字化發(fā)展。綠色化發(fā)展、數(shù)字化發(fā)展是可持續(xù)發(fā)展的必由之路，是中國建設(shè)現(xiàn)代化國家的必由之路，是實現(xiàn)碳中和的必由之路。所以新材料是高質(zhì)量發(fā)展的必需品。
實現(xiàn)雙碳任務(wù)，完成雙碳目標需要新材料。雙碳目標我們這代人完不成，需要幾代人來完成，北大有個作家叫陳秋繁，寫了一本書《零碳中國》，我寫了序言，序言里寫了，我們不但需要零碳還要負碳，我們要碳達峰、碳中和還要負碳技術(shù)，實現(xiàn)雙碳任務(wù)要幾代人的努力，需要青少年參加。實現(xiàn)雙碳靠科技，推動雙碳靠市場，其中很關(guān)鍵的是新材料。
今天就三條：1.新時代需要新材料、2.高質(zhì)量發(fā)展需要新材料、3.實現(xiàn)雙碳目標需要新材料。
同志們，我們正在回答一個問題，新時代面對能源百年未遇的大變局是什么？世界經(jīng)濟數(shù)字化轉(zhuǎn)型是必然趨勢，新的工業(yè)革命要重塑人類社會，所以，我要重申，能源革命需要石墨烯，石墨烯推動能源革命，智慧能源需要新材料，新材料推動智慧能源。從未來看，藤原的百年未遇大變局離不開新材料，風電的發(fā)展需要新材料，光伏、光熱、光合作用的發(fā)展需要新材料，氫能技術(shù)發(fā)展需要新材料，生物質(zhì)能技術(shù)發(fā)展新材料、氫能需要新材料、儲能需要新材料、綠能需要新材料，總之未來的能源發(fā)展離不了新材料。人類的未來離不開新材料，包括未來的太空能源、高緯度能源離不了新材料。我希望我們?nèi)藗兌际窍戎扔X，后知后覺者改過來，不知不覺者趕緊向前進，因為我們中國改變政策，從“互聯(lián)網(wǎng)+”到“ChatGPT+”到“新材料+”到“石墨烯+”。
韓國國立蔚山科學技術(shù)研究院多維碳材料中心主任Rodney S. Ruoff做的報告主題：是《“完美”大面積石墨烯與類金剛石單晶薄膜》。
中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的李義春博士，聯(lián)盟的秘書長的報告題目是《石墨烯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，更新的題目是石墨烯近十年的現(xiàn)狀和未來的趨勢》：從全球石墨烯專利來看重點是在應(yīng)用，石墨烯從前期制備來說已經(jīng)日漸成熟，只不過是怎么樣能品質(zhì)更好、成本最低，核心是應(yīng)用，怎么樣把石墨烯的應(yīng)用通過石墨烯的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生很大的技術(shù)上突破，全球的重點還是在這。
看一下中國的整個產(chǎn)業(yè)。專利在全球占了72%，中國總體產(chǎn)量達到1.8萬噸，薄膜產(chǎn)能達到74.萬平方米。市場規(guī)模2022年達到了160億，中國已經(jīng)成為全球薄膜產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用。從創(chuàng)新來說可以說跟全球并跑，但是創(chuàng)新投入是歐洲比較多，產(chǎn)業(yè)投入中國比較多，中國主要是靠民間投資而不是政府。
我們一個非常大的喜訊，我們國家石墨烯創(chuàng)新重力獲批，這是大家共同努力的結(jié)果，這是我們聯(lián)盟核心單位，30多家核心單位組建了石墨烯創(chuàng)新中心有限公司，通過這個公司申報國家的創(chuàng)新中心，這是聯(lián)盟的大事。這個創(chuàng)新中心重點是解決4級到7級重點工程化的階段問題。前期基礎(chǔ)研究類的由高校和研究機構(gòu)，工程方面失敗可能比較多，這塊是由創(chuàng)新中心完成，到產(chǎn)業(yè)化階段交給企業(yè)完成。
總的投入來說，國家工信部在全國布局了幾十家創(chuàng)新中心，支持份額最多是2個億，也有1個億的，我們達到了最高，工信部支持2個億。寧波和浙江省匹配支持3個億，加上股東單位一起支持，這也是石墨烯經(jīng)過十年的努力，終于結(jié)成正果，讓國家看到了這個情況，也是積極支持。
浙江大學信息電子工程學院林時勝教授的主題演講是《先進碳材料與半導體》：在物聯(lián)網(wǎng)的大背景下，萬物互聯(lián)是一個清晰可見的發(fā)展趨勢。在此背景下，為電子元器件實時供能是一個迫在眉睫的問題。傳統(tǒng)方法存在成本高、更換麻煩等問題，無法滿足龐大的數(shù)量傳感器的能源需求。基于此，發(fā)展可靠、便捷和高效的發(fā)電器件為其供能，方能解決這個問題。關(guān)于發(fā)電器件的研究一直在持續(xù)推進，如太陽能電池、發(fā)電機等。從更深入的角度去理解、探究其內(nèi)在的分子層面的機理，從分子層面分析出發(fā)，從而重構(gòu)發(fā)電器件，以獲得性能更佳的發(fā)電機，推動信息傳感時代繼續(xù)前進。本次報告從石墨烯太陽能電池、動態(tài)二極管發(fā)電機以及基于動態(tài)二極管的水分子發(fā)電進一步闡述從分子層面分析到發(fā)電器件重構(gòu)的過程，以及發(fā)電機的應(yīng)用等。
清華大學集成電路學院任天令教授的主題演講是《石墨烯傳感器與智能應(yīng)用》：石墨烯作為首個被發(fā)現(xiàn)的二維材料，基于其優(yōu)異的電學、機械學、熱學、聲學、光學等優(yōu)異性能，在柔性電子技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。石墨烯柔性傳感器可貼附于人體皮膚、口罩、服裝等多個部位，用于檢測人體的呼吸、脈搏、聲音、心電圖、腦電波等多種生理信號。例如石墨烯人工喉是集聲音檢測和發(fā)聲于一體的聲學傳感器，它能識別不同的喉部運動，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的聲音。石墨烯壓力傳感器可用于步態(tài)識別、血壓檢測、眼壓傳感等。石墨烯場效應(yīng)晶體管可用于檢測汗水、葡萄糖和眼淚中的其他生物標志物。柔性電子技術(shù)結(jié)合了材料、生物化學、機械工程、計算機和人工智能等領(lǐng)域的信息?；谶@一技術(shù)，柔性石墨烯器件將更加可延展、可修復(fù)、易降解、集成度更高。其低成本、高效、規(guī)?；纳疃劝l(fā)展，將在信息、能源、醫(yī)療健康、運動監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。
山東農(nóng)業(yè)大學的侯士峰教授的主題演講是《用于膜分離技術(shù)的二維材料分子設(shè)計》：石墨烯材料在手性膜分離方面具有巨大的潛力。石墨烯和氧化石墨烯材料很容易被各種手性分子功能化，由于其結(jié)構(gòu)和π電子的存在，石墨烯具有優(yōu)異的高通量特性。本報告介紹手性選擇性分離膜的方法將推動由2D層組成的手性膜的開發(fā)及其潛在應(yīng)用。
廣西科技大學，清鹿新材料科技有限責任公司首席科學家周銘教授的主題演講是《光碳烯云：石墨烯在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用》：石墨烯與二維材料在能源、信息、環(huán)境等領(lǐng)域已取得了重大突破。本報告主要討論以石墨烯為代表的新型材料在環(huán)境治理和土壤改良中的新應(yīng)用。
澳門大學孫鵬展教授主題演講是《石墨烯的滲透》主要了解一下石墨烯與水的相互作用。石墨烯等具有埃級孔隙的二維晶體是下一代分子分離技術(shù)的候選材料，可提供指數(shù)級的選擇性和超高流速。本次演講將介紹關(guān)于石墨烯孔的氣體滲透相關(guān)研究。結(jié)果表明，氦和氫很容易通過孔隙滲透，而氙和甲烷等較大分子被堵塞。本研究揭示了二維多孔膜材料實現(xiàn)指數(shù)選擇性滲透的嚴格條件，并對其在實際應(yīng)用中的限制進行了討論。
專題座談：“新材料的突破與變革式應(yīng)用技術(shù)”主持人：朱宏偉 教授/林承楨 教授
討論議題：石墨烯等新材料在新形式下面臨的機遇和挑戰(zhàn)（現(xiàn)狀分析）、石墨烯等新材料在變革式應(yīng)用中的核心作用（材料特性與應(yīng)用場景）和石墨烯等新材料在信息、能源、環(huán)境、生物等產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的發(fā)展（解決方案與行動計劃）。清華大學集成電路學院任天令教授、山東農(nóng)業(yè)大學侯士峰教授、浙江大學信息電子工程學院林時勝教授、廣西科技大學，清鹿新材料科技有限責任公司首席科學家周銘教授和澳門大學應(yīng)用物理及材料工程研究院孫鵬展助理教授共同探討了新材料的突破與變革式應(yīng)用技術(shù)。