碳納米管技術(shù)領(lǐng)軍人物——清華大學(xué)魏飛教授

近日，清華大學(xué)魏飛教授成功入選中國科學(xué)院院士增選有效候選人名單。

今年3月，愛思唯爾（Elsevier）發(fā)布的2024“中國高被引學(xué)者”（Highly Cited Chinese Researchers）榜單，魏飛教授也赫然在列。此榜單以全球權(quán)威的引文與索引數(shù)據(jù)庫Scopus作為中國學(xué)者科研成果的統(tǒng)計來源，系統(tǒng)性地展示中國科研領(lǐng)域的人才分布現(xiàn)狀，精準(zhǔn)呈現(xiàn)各機(jī)構(gòu)高校優(yōu)勢學(xué)科構(gòu)成及學(xué)術(shù)影響力，以及在關(guān)鍵技術(shù)研究和各重點(diǎn)領(lǐng)域的頂尖人才。

人物介紹

魏飛，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授，系學(xué)術(shù)委員會主任，綠色反應(yīng)工程與工藝北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。中國顆粒學(xué)會常務(wù)理事，能源顆粒專業(yè)委員會主任。1984畢業(yè)于石油大學(xué)煉制系有機(jī)化工專業(yè)，1990年獲石油大學(xué)有機(jī)化工博士學(xué)位。在Science、Nature等雜志發(fā)表論文600余篇，SCI他引68000余次。獲教育部“長江學(xué)者”特聘教授、國家杰出青年基金等。

成功實(shí)現(xiàn)了千噸級碳納米管在鋰離子電池中的規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了氣固下行床催化裂化、高速湍動床甲醇制丙烯、芳烴、苯胺、氯乙烯、丙烯腈、間苯二腈等30臺新概念反應(yīng)器產(chǎn)業(yè)化，研究成果獲國家科技進(jìn)步二等獎、教育部自然科學(xué)、技術(shù)發(fā)明一等獎。

碳納米管的神奇之處

魏飛教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在超長碳納米管生長機(jī)理、結(jié)構(gòu)可控制備、性能表征和應(yīng)用探索方面開展了大量研究，并取得了一系列重要突破。2013年，魏飛教授團(tuán)隊(duì)成功研制出單根長達(dá)半米的碳納米管，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。此外，魏飛教授團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了宏觀長度碳納米管管層間的超潤滑現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)了單根碳納米管宏觀尺度下的光學(xué)可視化及可控操縱。

此前，在熱播的電視劇《三體》中，主人公汪淼重啟實(shí)驗(yàn)的場景令人印象深刻，畫面中汪淼身后關(guān)于碳納米管研究的PPT，正是出自魏飛教授發(fā)表在ACS Nano期刊中的圖片和公式。

圖片來源：《三體》截圖

碳納米管有許多神奇的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能，特別是它的抗拉強(qiáng)度是鋼的一百倍，密度是其六分之一，這使得人們可以建造超長的梯子，架起一座通向太空的天梯。魏飛教授也曾在CC講壇上表示：“搭一個通往太空的天梯，其他材料是做不到的，只要是用其他的材料做一根繩子長十四萬公里，它自身的重量就會把它拉斷了，只有碳納米管可以。”

圖片來源：CC講壇

碳納米管技術(shù)在鋰電池的應(yīng)用

近年來新能源汽車行業(yè)推動著動力鋰電池迅速發(fā)展，再加上新興的可再生能源行業(yè)發(fā)展，或?qū)⒏淖內(nèi)蛞蕾嚮茉吹拿婷病Ｎ猴w教授表示，碳納米管趕上了新能源發(fā)展熱潮的好時機(jī)。

剛開始，魏飛教授團(tuán)隊(duì)做碳納米管應(yīng)用并不是為了鋰電池。各個研究團(tuán)隊(duì)基于碳納米管具有超強(qiáng)導(dǎo)電性、柔性、導(dǎo)熱性、耐化學(xué)腐蝕等獨(dú)特的性質(zhì)，進(jìn)行漫長的應(yīng)用探索過程。例如剛開始大家都認(rèn)為碳納米管能儲氫，做燃料電池管用，魏飛教授團(tuán)隊(duì)也嘗試去做，后來在大量失敗的實(shí)驗(yàn)后，才意識到有些方向是錯的，這也是科研中認(rèn)識新事物正常的探索過程。

電池材料對導(dǎo)電性的要求高，碳納米管本身并不解決電池的主材問題，目前來看，它只是解決導(dǎo)電性的問題和循環(huán)穩(wěn)定性的問題。核心是利用碳納米管在納米尺度上高導(dǎo)電性，同時又具有柔性和化學(xué)穩(wěn)定性，這也是它能夠替代導(dǎo)電性不夠好的導(dǎo)電碳黑的原因。正極加導(dǎo)電劑主要是針對導(dǎo)電性不好的磷酸鐵鋰等材料；目前，負(fù)極材料中硅基負(fù)極是一個重要研究方向，而硅基負(fù)極的導(dǎo)電性和石墨比大概相差1億倍，雖然硅基負(fù)極可以提高電池容量，但循環(huán)性會大打折扣，引入碳納米管可以有效解決這些難題。

在實(shí)際研究工作中，魏飛團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，碳納米管可實(shí)現(xiàn)自催化的協(xié)同生長。陣列碳納米管疊層生長速度高，將成長為一種長且直、導(dǎo)電性好、缺陷少的高性能材料。“總體而言，比起使用納米碳纖維，使用疊層生長的碳納米管的電池的容量等性能將高出不少。”魏飛表示。

成果轉(zhuǎn)化

基于清華大學(xué)魏飛-張晨曦團(tuán)隊(duì)的硅碳負(fù)極技術(shù)成立的常州硅源新能材料有限公司，采用流動性與傳遞能力優(yōu)異的氣固流化床進(jìn)行分子級沉積反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了硅基負(fù)極材料表面的均勻致密包覆，已成功制備出高容量、高首效、長壽命硅碳負(fù)極材料，并實(shí)現(xiàn)了千噸級宏量制備過程，在保證材料性能的同時極大地降低了生產(chǎn)成本，性價比領(lǐng)跑全行業(yè)。

該項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)成果入選2020年中關(guān)村論壇，并作為重大前沿科技成果在2024世界新能源新材料大會上重磅發(fā)布，已應(yīng)用于鄂爾多斯年產(chǎn)2萬噸硅碳負(fù)極材料項(xiàng)目，總投資達(dá)22億元，由常州硅源新能材料有限公司投資成立的內(nèi)蒙古硅源新能電子材料科技有限公司運(yùn)營，將于2025年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，為打造新一代高比能量長續(xù)航電池產(chǎn)品打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)，在帶來百億級經(jīng)濟(jì)效益的同時，將極大促進(jìn)新能源行業(yè)的革命性發(fā)展。

信息來源：

魏飛教授：科學(xué)研究，特別是尖端的科學(xué)研究，永遠(yuǎn)不在利益里，追求立竿見影是個很可怕的事情.Carbontech

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魏飛：碳納米管，架起通往太空的天梯.CC講壇

中國科學(xué)院、Carbon Future

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