專訪富碳納米材料領(lǐng)域代表人物
——智林杰研究員

《物理化學學報》編輯部

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

富碳納米材料是指具有高分子結(jié)構(gòu)特征又具有碳納米材料性能特征的新型納米材料，不僅具有富碳高分子明確的化學結(jié)構(gòu)與組成，而且其結(jié)構(gòu)單元、分子骨架、孔道與表面結(jié)構(gòu)、官能團種類與位置、雜原子的引入與定位等重要的結(jié)構(gòu)特征均可以通過結(jié)構(gòu)單元的分子設(shè)計與可控的化學反應(yīng)過程來實現(xiàn)較精確的調(diào)節(jié)與控制。同時，富碳納米材料也具有碳納米材料的重要性能特點，如良好的導電性、高熱穩(wěn)定性、高比表面積、高電化學活性等。該類材料不僅對材料學研究是一個全新的領(lǐng)域，而且在能源、環(huán)境等領(lǐng)域的實際應(yīng)用中也具有非常重要的學術(shù)價值與經(jīng)濟價值。

我們有幸采訪了富碳納米材料專家，《物理化學學報》“石墨烯的功能與應(yīng)用”?？目妥庉嬛橇纸苎芯繂T，為我們分享他在富碳納米材料方面的研究經(jīng)歷以及富碳納米材料在國內(nèi)外的現(xiàn)狀、應(yīng)用、發(fā)展方向等，并對富碳納米材料領(lǐng)域面臨的一些重要問題進行了分析。

問題1：智老師好！在您的科研生涯中從事過哪些方面的研究？您從什么時候開始從事富碳納米材料方面的研究？

回答：我從1997年在中國科學院山西煤炭化學研究所讀博士研究生開始從事碳基（瀝青）化學方面的研究工作，2000年到中國科學院化學研究所開展博士后研究從事高分子化學方向的研究，2003年到德國馬普協(xié)會高分子研究所從事博士后研究工作，開創(chuàng)性地將二者相結(jié)合，正式開始了富碳納米材料方面的研究，并于2005年開始擔任馬普高分子所課題組組長，之后一直致力于富碳納米材料的可控制備與應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。

問題2：請介紹一下您的課題組在富碳納米材料領(lǐng)域取得的主要成果？

回答：我的課題組長期從事富碳納米材料的設(shè)計、構(gòu)建、功能調(diào)控及應(yīng)用研究。1）提出以結(jié)構(gòu)精確的小分子或大分子為基本單元，通過調(diào)控單元的化學結(jié)構(gòu)與交聯(lián)反應(yīng)在分子尺度上構(gòu)建結(jié)構(gòu)可控功能可調(diào)的富碳納米材料的研究策略；2）通過熱化學途徑實現(xiàn)富碳共軛網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯化及化學功能化，以二維富碳高分子結(jié)構(gòu)為單元通過可控組裝制備具有三維有序結(jié)構(gòu)的富碳高分子納米材料，設(shè)計和建構(gòu)了具有獨特化學雜化結(jié)構(gòu)、骨架結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、復合界面結(jié)構(gòu)的富碳納米材料；3）提出了富碳結(jié)構(gòu)與復合材料的維度匹配性概念，開辟了一條新的途徑用以構(gòu)建具有良好維度匹配性的全一維、二維富碳復合電極材料，為厘清化學摻雜、孔道結(jié)構(gòu)、共軛網(wǎng)絡(luò)等結(jié)構(gòu)信息在電化學存儲與轉(zhuǎn)化應(yīng)用（超級電容器、鋰離子電池、電催化等）中的作用機制提供了一條新的思路；4）發(fā)展了富碳納米材料的連續(xù)化批量制備工藝，建立了基于富碳納米材料在透明導電薄膜、電極材料等應(yīng)用中的評價工藝。

問題3：請您簡單回顧一下富碳納米材料領(lǐng)域最近幾年的里程碑進展？

回答：近年來，有兩類材料可以看作是富碳納米材料研究的領(lǐng)域里程碑式材料，一類是以石墨烯為代表的碳基納米材料，包括石墨烯、碳納米管及富勒烯等，這類材料為富碳納米材料的研究與發(fā)展提供了理想的結(jié)構(gòu)平臺，使得富碳納米材料在這些材料平臺上通過自上而下的思路得以向深度和廣度上快速衍生，大大促進了富碳納米材料的研究。因此，從材料結(jié)構(gòu)與功能來講，很多的功能化石墨烯便屬于富碳納米材料的范疇。另外一類是以有機共價框架結(jié)構(gòu)為代表的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料，這類材料為富碳納米材料自下而上的延伸與發(fā)展提供了良好的材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，進一步快速推動了富碳納米材料的研究與發(fā)展。

問題4：目前我國富碳納米材料研究在國際上處于什么水平？

回答：從整體研究水平來看，我國富碳納米材料研究已經(jīng)走在了世界的前列。近年來，在國家大力扶持下，經(jīng)過不懈努力，我國在富碳納米材料領(lǐng)域已經(jīng)打造了一支高水平的研究隊伍，建設(shè)了高水平的研究平臺，特別是在國家鼓勵創(chuàng)新、支持年輕人發(fā)展的政策方針指引下，在富碳納米材料研究領(lǐng)域涌現(xiàn)出一批思想活躍、創(chuàng)新意識強的青年學者，取得了一系列高水平的研究成果。無論是在發(fā)表論文數(shù)量，還是在申請專利數(shù)上，我國在該領(lǐng)域都已經(jīng)位居世界第一。

問題5：富碳納米材料領(lǐng)域有迫切需要突破的關(guān)鍵技術(shù)嗎？請分析富碳納米材料領(lǐng)域面臨的一些重要問題。

回答：對大多數(shù)富碳納米材料來說，迫切需要解決的問題是材料的精確可控制備與規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)。目前，大多數(shù)的富碳納米材料還無法做到在分子原子尺度上的精確的結(jié)構(gòu)控制，這導致對此類材料的研究，特別是深層次的物理與化學性質(zhì)研究具有不確定性，從而使得我們對材料結(jié)構(gòu)性能相關(guān)性研究處于模糊層面，嚴重影響了人們對此類材料的科學認知。與此相關(guān)，發(fā)展更先進的原位表征技術(shù)和微觀分析技術(shù)是富碳納米材料研究領(lǐng)域另外一個難題。隨著科學技術(shù)的不斷進步，各種精細的分析表征手段也越來越完善。但是如何針對材料，特別是介于有機材料與無機材料之間的富碳納米材料的結(jié)構(gòu)在原子、分子尺度上進行精確分析與表征仍然面臨許多困難，有待更多的學者加入，一起探詢更精確高效的分析與研究方法。發(fā)展高效低成本的規(guī)?；煽刂苽浼夹g(shù)是此類材料在實際應(yīng)用中面臨的最大挑戰(zhàn)。在實驗室里，通過精心控制各種反應(yīng)條件，可制備出高性能的富碳納米材料，但是制備規(guī)模很小，多是克級甚至毫克級。一旦規(guī)?；苽洌捎诜糯笮?yīng)的存在，得到的材料往往性能大幅下降。因此，富碳納米材料領(lǐng)域也需要高素質(zhì)的工程技術(shù)人員的參與，從而有效推動此類材料的商業(yè)化應(yīng)用。

問題6：富碳納米材料在哪些方面獲得了實際應(yīng)用？

回答：在大規(guī)模實際應(yīng)用方面具有代表性的富碳納米材料有功能化石墨烯、基于前驅(qū)體的納米碳纖維、納米多孔碳等。功能化石墨烯特別是基于化學改性的功能化石墨烯是一類典型的富碳納米材料，目前已經(jīng)在功能涂料、導電添加劑、功能填料等領(lǐng)域進入規(guī)?；瘧?yīng)用階段。納米碳纖維是一種高強度的材料，已經(jīng)在航空、航天、汽車、船體等需要高強度輕質(zhì)材料的領(lǐng)域配合傳統(tǒng)碳纖維實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。納米多孔碳具有極高比表面積，是很好的吸附材料，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境凈化、污染物處理和凈化水體等領(lǐng)域。

問題7：您可否預測和分析一下富碳納米材料的現(xiàn)狀、發(fā)展方向？

回答：目前，富碳納米材料無論在基礎(chǔ)研究，還是在實際應(yīng)用方面都取得了顯著的進步，材料種類繁多、性質(zhì)豐富多樣、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，并且發(fā)展?jié)摿薮?，呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。然而，從富碳納米材料的科學研究角度來講，目前的大多數(shù)研究仍然處于早期階段。富碳納米材料是碳元素組成的具有微觀精巧結(jié)構(gòu)的材料。富碳納米材料未來的發(fā)展需立足于它們的微觀結(jié)構(gòu)：認識這些結(jié)構(gòu)，精確設(shè)計與構(gòu)建這些結(jié)構(gòu)，理解這些結(jié)構(gòu)獨特的性質(zhì)，并應(yīng)用這些結(jié)構(gòu)帶來的獨有性能。首先，需要進一步發(fā)展微觀和原位表征技術(shù)，特別是固態(tài)富碳材料的原子尺度分析與表征方法，充分認識富碳納米材料的結(jié)構(gòu)特征，揭示由結(jié)構(gòu)帶來的獨特性質(zhì)；其次，需要探索開發(fā)富碳納米材料的獨有應(yīng)用，而不是簡單的替換其它材料。同時，繼續(xù)開發(fā)大規(guī)模制備技術(shù)，使得富碳納米材料能夠大量精確制取，而不是停留在實驗內(nèi)少量的制備；再者，擴大富碳納米材料實際應(yīng)用范圍，覓得“殺手級”應(yīng)用，使得富碳納米材料真正成為不可或缺的材料。

問題8：您對富碳納米材料的學科發(fā)展有哪些期望？

回答：富碳納米材料研究是國際前沿研究領(lǐng)域，是典型的化學、物理、材料等多學科深度交叉研究領(lǐng)域。盡管在我國有越來越多的學者已經(jīng)意識到這一領(lǐng)域的重要性，并開展了富有成效的研究與探索，但是也應(yīng)該看到我們還存在很多不足。例如大多數(shù)標志性的富碳納米材料都是由外國人發(fā)現(xiàn)或制備的；重大的理論突破以及實驗發(fā)現(xiàn)也大多來自國外團隊；高性能富碳納米材料關(guān)鍵制備技術(shù)也多由國外團隊首先提出。因此，我國富碳納米材料研究應(yīng)該立足于化學、物理、材料等我國優(yōu)勢學科的同時，通過多學科的深度交叉與融合，充分挖掘材料的結(jié)構(gòu)特點和獨有性質(zhì)，明晰材料結(jié)構(gòu)和其性能間的關(guān)系，夯實此領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，就有機會做出開創(chuàng)性的研究工作。特別是這類材料的精確結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)精細化控制非常困難，需要更多的青年學者能夠靜心科研，直面困難，敢于挑戰(zhàn)，不能急功近利，不能追求“短平快”，做淺嘗輒止的工作。相信通過大家的共同努力，在不久的將來就會在這一領(lǐng)域出現(xiàn)越來越多的來自中國的原創(chuàng)性研究工作。

問題9：您對準備從事富碳納米材料研究的青年學者有何建議？

回答：富碳納米材料研究，困難大，挑戰(zhàn)多，但是機會也多。建議青年學者：1）建立明確的研究方向，深入地了解富碳納米材料領(lǐng)域的國際前沿，掌握其面臨的難點和挑戰(zhàn)性問題，選定自己感興趣的研究方向，開展持之以恒的科研工作，不要盲從熱點，進行惡性競爭；2）加強學術(shù)交叉合作研究，開展優(yōu)勢互補、合作共享的研究模式，注重多學科深入交流與討論；3）瞄準國家重大需求，重視基礎(chǔ)研究的同時也重視技術(shù)研究與工程研究，使自己的研究成果能夠服務(wù)于國家經(jīng)濟與社會發(fā)展。