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石墨烯材料把黑臭河道變清了!國家自然科學獎成果“雙向”轉化

摘要:上海大學副校長吳明紅教授團隊與石墨烯功能型平臺合作,在寶山區6條河道開展了示范工程,取得很好效果。雙方還在合作開展鈉離子電池中試,有望把這一石墨烯成果應用于國家電網。

去年10月,上海寶山區尖頭村河因連續3個月水質黑臭,引起寶山區委、區政府的高度關注。而今,這條河道大為改觀,各項指標均已達標。解放日報·上觀新聞記者近日來到尖頭村河畔,沒聞到任何異味。離尖頭村河不遠的九龍港河,水質也很不錯,記者看到一只白鷺在河中綠地駐足棲息。

曾經的黑臭河道為何變清了?上海市石墨烯產業技術功能型平臺董事長孟巖博士介紹,上海大學研發的石墨烯復合材料發揮了關鍵作用。去年6月以來,上海大學副校長吳明紅教授團隊與石墨烯功能型平臺合作,在寶山區6條河道開展了示范工程,取得很好效果。雙方還在合作開展鈉離子電池中試,有望把這一石墨烯成果應用于國家電網。

跟蹤上大創新策源成果

石墨烯是一種只有一個碳原子層厚度的二維空間材料,強度極高,比表面積巨大,導熱導電性能優越。2010年,英國曼徹斯特大學科學家海姆、諾沃肖洛夫因從石墨中分離出石墨烯,獲得諾貝爾物理學獎。

2017年10月,中國科學家的一項研究成果引起世界矚目——吳明紅等人的論文《通過離子控制石墨烯氧化膜層間距實現離子篩分》在《自然》雜志上發表,在國際上首次提出,可以通過溶液中的離子精確控制石墨烯氧化膜的層間距,控制精度達到十分之一納米。今年1月,上海大學牽頭完成的“石墨烯微結構調控及其表界面效應研究”獲得國家自然科學獎二等獎。

獲得國家自然科學獎的都是基礎研究成果,如何推動這類成果轉化為生產力?早在2016年,石墨烯功能型平臺就開始關注吳明紅團隊發表的論文,與他們持續深入交流。孟巖告訴記者,檢索國際知名期刊的石墨烯論文、分析全球石墨烯專利情報,是石墨烯功能型平臺的日常工作。作為上海首批研發與轉化功能型平臺之一,該平臺緊密跟蹤國內外學術界、產業界的研發動向,著力構建石墨烯技術創新、中試及產業化的核心服務能力,力爭把上海打造成這一前沿技術的創新策源地。

據寶山區科委介紹,石墨烯功能型平臺與上大的合作得到了上海市科委、寶山區委、區政府的高度重視和支持,被列為寶山和上大區校合作的重點項目。這一項目的轉化落地有五個樣板意義:一是功能型平臺有效促進成果轉化,上大的實驗室技術通過示范應用走向了市場;二是帶動新興產業,石墨烯新材料在環保領域開拓了新市場;三是政府對新技術示范應用的引領和開放;四是高校、團隊和市場之間找到了結合機制;五是上大、寶山之間的校區合作形成了良性互動。

河道示范工程效果顯著

去年5月,上大科研團隊在校園里完成了石墨烯復合材料治理小型水體試驗,這是“精確控制石墨烯氧化膜層間距”成果的一個轉化應用方向。上海大學環境與化學工程學院教授唐量介紹,他們把石墨烯氧化膜的層間距調控到適合微生物生存的尺度,隨后把工程菌植入石墨烯氧化膜,構成了石墨烯工程菌復合材料。

石墨烯與工程菌結合,具有“1+1>2”的治水效果:一方面,石墨烯憑借巨大的比表面積和一定的催化活性,能吸附水體污染物并降解部分有機分子;另一方面,工程菌以石墨烯材料為載體生存繁衍,不斷分解水體污染物,并把石墨烯吸附的有機碳污染物作為“食物”。“石墨烯工程菌復合材料能從生物鏈底端開始修復水生生態環境,對水體及水生生物無毒無害,不會造成二次污染。”唐量說。

功能型平臺員工將含有石墨烯復合材料的微生物制劑注入大桶

用這種新技術治理河道的效果究竟如何?校內試驗結束后,石墨烯功能型平臺立即與寶山區科委和城市工業園區管委會溝通,希望啟動示范工程。去年6月底,上大與平臺聯合團隊領到一項艱巨任務——治理園區內污染最嚴重的小孟家宅河。

那時正值盛夏,小孟家宅河散發著陣陣臭味。然而示范工程團隊沒有怨言,把一桶桶含有石墨烯復合材料的微生物制劑運到河畔,定時定量注入河中。他們還在河中安裝了多臺水泵,讓石墨烯工程菌復合材料流到河道的各個地方。

令人欣喜的是,治理一個月后,小孟家宅河的藍藻和臭味消失了,氨氮含量從13.6毫克/升降至1.5毫克/升,透明度從20厘米升至90厘米。當地村民對科研人員說:“這條河恢復到了30年前我小時候的模樣。”養護工人笑著說,他敢用河水洗手了。

初戰告捷后,寶山城市工業園區管委會又陸續提供了5條河道,簽約治理時間為一年。目前,6條河道都還在治理過程中,其水質指標均已達到地表Ⅴ類水標準,部分指標達到地表Ⅳ類或Ⅲ類水標準。

為鈉離子電池建中試線

示范工程的開展,讓水體治理新技術快速走上市場化道路。近日,上海大學與石墨烯功能型平臺在寶山區聯合成立了一家環??萍脊?,上大將5件專利許可給公司使用。唐量告訴記者,他們已與北京、江蘇、福建、湖南等多地政府部門接洽,爭取今年把石墨烯工程菌復合材料用于更多的受污染水體治理,助力生態文明建設。

國家自然科學獎成果的轉化方向遠不止水體治理。憑借精確控制石墨烯氧化膜層間距技術,上大團隊研制出了鈉離子電池的石墨烯負極材料。與傳統電池負極材料相比,這種材料能儲存大量鈉離子,大幅提高電池容量。與市場上的鋰離子電池相比,以普魯士藍為正極、石墨烯材料為負極的鈉離子電池有望在成本上降低30%—50%,且安全性更高。由于巨大的應用前景,上大科研團隊已與國家電網簽約,鈉離子電池問世后,將在電網發電端、配送端、使用端投入使用。

吳明紅教授(中)及部分團隊成員

如何盡快將這個實驗室成果轉化為產品?與牽線啟動河道示范工程相仿,石墨烯功能型平臺再次發揮了中試平臺功能,決定建設一條中試生產線,圍繞鈉離子電池生產中的一系列工藝問題開展研發試驗。這種專業化中試服務,高校很難提供,大多數企業則缺乏服務能力或投資動力。為此,上海市區兩級政府出資建設了一批研發與轉化功能型平臺,旨在填補科技成果轉化鏈上的這段缺口。

上大石墨烯研發團隊正是這一創新之舉的受益者。“不久以后,我們就能在功能型平臺的中試基地進行產業化研發,還能使用基地里的許多共享設備。”唐量告訴記者,“這讓我們有信心在今年年內研制出鈉離子電池,供國家電網試用。”

來源:上觀新聞       作者:俞陶然

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