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做材料科学的“颠覆式创新”带头人香港碼會

2019-10-19 15:02      点击次数:

以石墨烯为代表的二维材料颠覆了世界对于物理和电子的认知,展现出众多优异的理化性质和广阔的应用前景,被誉为21世纪的超级材料。2014年,二维材料领域发生了一件大事黑磷问世了,其在光学、电学方面优越的功能性和在催化、能源、医药等领域的广阔应用前景

  以石墨烯为代表的二维材料“颠覆”了世界对于物理和电子的认知,展现出众多优异的理化性质和广阔的应用前景,被誉为21世纪的超级材料。2014年,二维材料领域发生了一件大事——黑磷问世了,其在光学、电学方面优越的功能性和在催化、能源、医药等领域的广阔应用前景,使得这一新的二维材料备受研究者和产业界的关注。

  2014年,对于中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称中科院深圳先进院)喻学锋研究员来说,同样也发生了一件“大事”——37岁的他,放弃了高校的教职和相对安稳的生活,毅然南下深圳从事黑磷的研究。

  五年来的辛勤耕耘,喻学锋从一个人和几台借来的实验仪器,已经发展为拥有70多名成员和几千万科研设备的研究中心,实现了一系列黑磷制备和应用技术的突破,发表了50多篇高水平论文、申请了60多项黑磷发明专利,成为国际上该领域专利布局最多的课题组,写下了从科学研究到“产业报国”的精彩篇章。

  磷资源在工业中扮演着重要的角色。然而,各种磷化工产品的附加值长期保持在较低水平。“目前整个磷工业以有机磷为主,无机磷并没有得到很好的发展。”喻学锋说,黑磷作为最稳定的单质磷和最薄的直接带隙半导体,一方面它有很多光学、电学、生物化学方面的性质,在光电器件、电池、催化和医药等领域具有很好的应用价值;另一方面,黑磷的出现也可以启发人们开展无机磷功能材料的开发,使得磷未来也能跟碳一样成为一个工业体系的核心材料。

  然而,白磷易燃易爆有剧毒,限制了磷工业的地理位置,很多的下游产业都得在矿山附近。如何解决磷的稳定性,成为需要解决的关键问题。2015年,喻学锋与香港城市大学朱剑豪教授等合作,制备出黑磷烯和黑磷量子点;随后几年,团队发展了系列界面调控技术,30部必读的国学经典都有哪些?。实现了黑磷的稳定性强化和功能拓展,为黑磷的规模化制备和应用奠定了基础。

  “今年具体进展就是利用黑磷的化学活性,发展了铂磷和钯磷等新型催化剂,铂是燃料电池和很多工业催化的核心材料,香港碼會。黑磷可以快速有效的调节铂的电子结构,从而极大提升铂的催化活性,而成本又只增加一点。”喻学锋告诉记者,这是一个很好的工业级产品,我们正在依托合作企业进行相关的工业测试,有望很快实现产业推广。此外,团队在黑磷的生物活性和医学应用方面也取得了很好的进展。

  我国磷矿储量位居世界第二位,由于此前磷基功能材料的核心技术大部分被外国掌握,曾一度以低附加值出口磷矿,再进口高附加值的磷基功能材料。白磷价格约一万元每吨,红磷为三万元每吨,而黑磷则远高于前两者。在此背景下,黑磷有望作为整个磷工业重要的新支点。

  “不仅磷工业面临这样的问题,我国的材料工业普遍存在这个问题,当前大部分高端功能材料仍然需要依赖进口。”喻学锋认为,磷是重要的战略稀缺资源,特别是目前国际科技竞争和限制日趋激烈的形式下,从国家需求层面上来说,更要加强在这种材料底层技术的创新。

  而想要解决“卡脖子”问题,在喻学锋看来,不能说现在卡什么就只做什么,科研工作者们也应当布局未来,发展一些新的颠覆性技术。

  实际上,2014年喻学锋刚开始研究黑磷时,整个领域才有几篇论文,现在一年能有一千多篇论文,我国在这一领域基本和世界其他国家同时起步。由于很早意识到这将是一种很好的技术,团队有了先发优势,进展很快,目前技术上已经走通了从红磷到黑磷规模化制备的技术路线,可以大大降低成本,有望在两三年内实现生产。

  “尽管黑磷是一个越来越热的材料,但还处于产业的非常早期阶段。我们还是得保持一个平和的心态,扎扎实实地围绕着一个方向持续的做下去。”喻学锋说,我们想做的就是尽快把黑磷制备和应用技术发展起来,一方面真正能够工业化制备,另一方面能够切切实实地开发出工业级产品,能够在国际竞争中取得领先地位。

  从基础研究到应用研究,再到实现产业化,对于一名昔日的纯科研工作者来说,同样是巨大的挑战,不仅要有新的研究路径,更要重新定义科研者所要具备的能力。

  对于喻学锋的团队来说,发论文是与科技同行的交流,而不是科研团队的唯一工作。“国家给了我们经费支持,我们希望做出来的东西能够回馈工业回馈国家,变成产业界认可的技术跟产品,”喻学锋常常这样激励团队成员们,“材料科学本来就是应用科学,我们应该把目标从论文变成一项一项有用的技术。”

  而中科院深圳先进院良好的“产学研”生态系统,与国际接轨的首席科学家负责制、科技成果转化的激励机制等科研体制,也给予了他有所作为的广阔空间。2016年6月,在中科院深圳先进院为黑磷成果召开的专场对接会上,团队接触到了相关企业。2016年8月,中科院深圳先进院与湖北兴发集团合作,共同投资组建了中科墨磷科技有限公司。喻学锋团队的黑磷制备技术就这样在两年的时间内以2500万元实现产业化转让。

  如今,繁忙依然是喻学锋工作和生活的主题,对他来说,实现产业化是一件很累的事情,不仅需要专业知识,还需要同上下游企业、投资机构、政府部门等各行各业的人打交道,不断学习新的知识,然而他却更加充满希望和干劲。

  “比较乐观的是目前企业的观念也在转变,更加鼓励技术创新和产学研合作,我们科研人员也要一起转变观念,更多地与企业互动,成为国家科技创新的驱动力,在科学上占领制高点,同时也面向产业、服务产业,支持国家经济的高质量发展。”喻学锋说。(光明日报全媒体记者党文婷)

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