——记复旦大学高分子科学系教授卢红斌
本刊记者 祝传海

　　 2004年，英国曼切斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫制成了石墨烯材料，自那时起，石墨烯在全球范围内掀起研究和产业化热潮。
　　 石墨烯，一个被称为21世纪的神奇材料。它的厚度相当于一个碳原子，其强度是结构钢的200倍，是迄今为止厚度最薄、强度最高的材料，其导电导热性质优于常规金属。凭借其突出的物理化学性质，石墨烯成为我国“十三五”规划中的前沿新材料之一。
　　 然而，开发石墨烯新材料离不开低成本、高效率的制备技术。2013年10月29日，复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室卢红斌团队提出了一种低成本、可规模化液相剥离制备高质量石墨烯的新技术。这可能成为迄今为止所有高质量石墨烯制备技术中技术路线最为简洁高效、成本最为低廉（成本估算小于0.1元/克），且能和下游产品形成良好衔接的可规模化制备技术。如今，他正和团队走在我国石墨烯研究从实验室向产业化过渡的路上。

石墨烯产业化时代

　　 2015年3月2日，全球首批3万部量产石墨烯手机在重庆发布，开启了石墨烯产业化应用的新时代。此外，石墨烯将被列入国家的“十三五”规划，并有设立的100亿新兴产业创投基金加速石墨烯产业的发展。国家计划在两年内实现石墨烯的产业化应用。
　　 早在2008年，卢红斌团队便注意到石墨烯的一些独特性质，“它既是纳米的一个片层，同时又是一个碳材料，且具有很好的导电、导热性，我们想知道它能不能与聚合物结合起来，于是便开始了石墨烯复合材料的研究”。
　　 随着聚合物材料和复合材料等轻质材料在汽车部件中的应用逐年增加，发展汽车轻量化技术和新能源汽车已成为迫在眉睫的关键性任务。在这一需求下，卢红斌选定了自己的研究方向。他介绍说，石墨烯可从两个方面促进车用材料的高性能化，一是车用材料的轻量化，二是车用储能材料的高性能化。在保证汽车强度和安全性前提下，轻量化技术可以尽可能降低整车重量、提高动力性、降低燃料消耗，而这些主要是通过合理的结构设计和材料选择来实现的。通常而言，整车重量降低10%，燃油效率可提高6～8%，汽车重量每减轻100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升，CO₂排放可减少5克/公里。
　　 在卢红斌看来，石墨烯能够显著改善聚合物材料的力学、热学、电学、阻燃以及尺寸稳定性，可望在车用塑料薄壁化、抗紫外线、阻燃改性等多个领域发挥无可替代的重要作用。锂电池是新能源汽车的核心部件，其成本几乎占总成本的一半左右，其正负极电极材料成为制约其性能提高的关键因素。除了一些常规活性正极材料以外，二硫化钼纳米片层与石墨烯的结合也在锂电池正极材料领域展示了突出的性能优势。这方面关键的阻力来自二硫化钼纳米片层可规模化制备技术的限制。
　　 而卢红斌团队提出了一种新颖、高效的二硫化钼可规模化制备技术。它允许微米尺寸二硫化钼在常温下、1小时内实现高达60%的片层剥离效率，与石墨烯结合后，可在锂电池正极材料中显示出比磷酸铁锂高出4倍以上充放电容量（~700mAh/g），可望与高性能硅碳负极材料（~700mAh/g）结合，实现比现有锂电池高出至少2倍以上的充放电容量和优异的倍率及循环性能。目前，该项技术已经申请中国发明专利，相关中试放大实验也在进行中。
　　 “石墨烯是一个新兴行业，人们对它的理解还有一个过程。经过多年的探索，我们已经形成了一些重要的基础理解和新技术。通过与企业进行针对性交流和沟通后，期望能把这些新技术最终形成产品并应用到像汽车、涂料、新能源等领域。”卢红斌预言，“2015年将成为中国石墨烯产业爆发元年”。

“从事科研是一件很自然的事情”

　　 “对科研的兴趣，更多是源于我儿时生长环境的影响”。卢红斌早年生活在航天部的一个研究所，“所里的科研氛围十分浓厚，大家都希望在科研上能做出成绩、为国家做点事情，这种氛围实际上对我世界观的形成有比较大的影响”。在科研方向的选择上，卢红斌认为，这是一个顺理成章的事情，“在读书期间，导师的引领对我们的学习方法和科研模式有直接的影响。对未知领域的好奇心会形成一种强大的驱动力，促使我们不断学习和探索”。
　　 2000年，卢红斌在复旦大学高分子科学系从事通用高分子材料高性能化的博士后研究。虽然高分子的应用比较广泛，但如何进一步提高它们的性价比、赋予更多的功能性仍是亟待解决的重要问题。“起初，人们会在高分子中加一些添加剂，来降低它的成本，同时提高它的力学性能。但随着材料技术的发展与进步，这些已不能满足人们的需求。人们开始寻求功能性的添加剂，碳纳米管和石墨烯则成为一个很自然的选择。”
　　 两年后，卢红斌奔赴美国，在南加州大学做聚合物纳米复合材料的博士后研究。尽管之后导师希望他能够留在课题组继续从事科研和教学工作，但他还是于2004年7月中旬回到复旦高分子科学系。“相较于国外，中国的发展充满活力，更加吸引年轻人”。再次回到复旦，卢红斌充满感激，“复旦是一个开放和包容的平台，它能够给年轻人提供很好的成长环境，对许多留学归来的学者会给予一定的资助，尽管数目不大，但对一个新人而言是非常宝贵的”。
　　 2008年，卢红斌带领他的研究团队开始了对石墨烯复合材料的研究，“经过7年的发展，具有自主知识产权的低成本、高性能石墨烯制备技术和复合材料制备技术已经成熟。预计今年，相应的石墨烯和复合材料产品将会相继进入市场，更多新颖的石墨烯新材料技术和产品开发工作也已全面展开”，卢红斌向记者介绍。

积跬步，致千里

　　 创新始终是科研的一个主题。没有创新，科研就会失去意义和价值。然而在科学的道路上，每一个新的发现都是在前人研究的基础上，通过不断地探索，寻求问题的答案。
　　 2008年，卢红斌带领的研究团队想把石墨烯作为一个添加剂放在聚合物中，但石墨烯和聚合物是无法相容的，“我们遇到的第一个问题就是如何让石墨烯和高分子材料很好的结合在一起，所以要想出一些新的方法对石墨烯进行修饰”。经过一年的摸索，他们率先提出了在石墨烯表面可控接枝高分子链的新方法。现在，这一重要成果已被主要世界顶级化学和材料综述期刊论文广泛引用，累计他人引用近700次。
　　 在研究过程中，卢红斌团队和产业界建立了密切的联系。通过与企业合作，共同承担国家的一些大项目，他深切地感受到，“从工业界里面延伸出的一些关键的基础问题，需要在高分子材料领域着力地去研究，这是非常有吸引力的。”而他们的技术正是为解决工业生产中的关键问题以及市场期待的新材料和新产品建立了基础。“当时，石墨烯的成本比较高昂，甚至比黄金还贵。我们意识到，如果想要将其产业化，石墨烯的制备是一个很重要的问题。这促使我们必须建立一个新的方法，来实现石墨烯低成本、高效率的制备。”卢红斌向记者介绍道，“解决这个问题并非一帆风顺，因为认识本身也是一个逐渐积累和完善的过程。我们需要从基础角度先把思路理清楚，然后以尽可能少的尝试来建立切实可行的技术方案”。
　　 经过几年的探索，卢红斌团队终于在2012年看到了希望。一年之后，他们初步形成了一套比较系统的石墨烯低成本、高质量制备技术，并于2013年10月29日申请公开了低成本、可规模化液相剥离制备高质量石墨烯的新技术。该技术全部制备过程均是在室温、环境条件下完成的，制备的石墨烯单层产率可达90%，且无需任何还原步骤。制备的石墨烯片层具有极高的C/O比（C/O比大于20，比氧化石墨烯的C/O比高一个数量级，且能以极高浓度分散于碱性水溶液中或以滤饼形式进行储存和运输，彻底解决了石墨烯与下游应用的关键环节。
　　 卢红斌向记者回忆道，“由于独特的二维特性和表面疏水性质，石墨烯只能在少数有机溶剂中稳定分散，在水中通常会聚集，因此如何让石墨烯在水中形成高浓度稳定分散是极具挑战性的”。此外，由于石墨烯片层会在空中飘散，对人体和环境将会造成一定影响。解决这个问题，不仅可以降低成本，还能优化工艺流程，减少其对人和环境的损害。“如何实现石墨烯有效储存、运输以及与下游应用之间的衔接就成了一个制约其发展的核心问题。” 后来，他们发现，当在二维石墨烯片层上引入极少量含氧可电离官能团后，利用其在碱性条件下较强的静电排斥作用，不仅可以改善与水分子的亲和性，也能提高石墨烯在液相中的分散稳定性以及与下游产品应用的衔接。

授业有道，感念师恩

　　 “博学而笃志，切问而近思”，复旦大学浓郁的学习氛围以及它的包容与开放，吸引着无数学子。在采访过程中，卢红斌多次提到复旦大学给予他的支持以及导师对他的影响。“回国时，我的导师承担的课题是发展具有国际先进水平的燃气管道专用材料。当时，天然气的输送所用的管道多不再采用金属材料，而是高分子复合材料，但这方面我国长期依赖进口，使得一些国家重大工程例如‘西气东输’等材料选择上不得不受制于人。”
　　 通过参与导师承担的国家重大项目，他体会到将科学研究与国家重大战略需求相结合的重要性。“复旦给我们提供了一个很好的平台，使我们充分接触到符合国家发展战略的重要课题，从中汲取了很多经验，为后续进一步发展奠定了基础。”
　　 在如何培养学生这个问题上，“我觉得最重要的一点，鼓励他们去大胆尝试，为他们提供一个可以尽情施展才华的舞台。”据卢红斌介绍，组会是他们组内学生展现聪明才智的好机会，“通过这种方式展示大家在学术方面的进展，同时也提出在科研当中遇到的问题，并及时进行探讨，确定解决方案。这种方式对每位成员都是公平的，也激励大家更好地做出有创意、有新意的工作。”
　　 一位合格的科研工作者，不仅需要专业知识的积累，更要勇于探索和创新。在探索过程中，困难和困惑是难免的，尤其是对于刚起步的科研人员来说，会感到十分苦闷，甚至出现比较大的心理波动。“这时候导师的介入和鼓励会很重要，告诉他们这个方向是否正确，解决目前问题可能的途径和方法等对其今后的发展起着很大作用。”卢红斌认为，在科研工作中不仅要有知识的积累，也要有信心的积累。“在前人还没有探索过的一些方面，希望学生能大胆迎接挑战、敢于攻坚克难”。
　　 回到复旦大学十多年，卢红斌在科研与教学之间付出了大量的心血。“年轻的时候，我爱音乐、爱运动，但现在都没有时间了。”能够在闲暇时间陪伴家人，是他最大的满足。数年来，正因为他带领团队不断探索，才会不断取得突破。他认为，没有创新的科研，便失去了意义和价值，创新不仅仅局限于科研，也存在于团队管理与建设等方面。