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石墨烯材料把黑臭河道变清了!国家自然科学奖成果“双向”转化

去年10月,上海宝山区尖头村河因连续3个月水质黑臭,引起宝山区委、区政府的高度关注。而今,这条河道大为改观,各项指标均已达标。解放日报·上观新闻记者近日来到尖头村河畔,没闻到任何异味。离尖头村河不远的九龙港河,水质也很不错,记者看到一只白鹭在河中绿地驻足栖息。

曾经的黑臭河道为何变清了?上海市石墨烯产业技术功能型平台董事长孟岩博士介绍,上海大学研发的石墨烯复合材料发挥了关键作用。去年6月以来,上海大学副校长吴明红教授团队与石墨烯功能型平台合作,在宝山区6条河道开展了示范工程,取得很好效果。双方还在合作开展钠离子电池中试,有望把这一石墨烯成果应用于国家电网。

石墨烯材料把黑臭河道变清了!国家自然科学奖成果“双向”转化

跟踪上大创新策源成果

石墨烯是一种只有一个碳原子层厚度的二维空间材料,强度极高,比表面积巨大,导热导电性能优越。2010年,英国曼彻斯特大学科学家海姆、诺沃肖洛夫因从石墨中分离出石墨烯,获得诺贝尔物理学奖。

2017年10月,中国科学家的一项研究成果引起世界瞩目——吴明红等人的论文《通过离子控制石墨烯氧化膜层间距实现离子筛分》在《自然》杂志上发表,在国际上首次提出,可以通过溶液中的离子精确控制石墨烯氧化膜的层间距,控制精度达到十分之一纳米。今年1月,上海大学牵头完成的“石墨烯微结构调控及其表界面效应研究”获得国家自然科学奖二等奖。

石墨烯材料把黑臭河道变清了!国家自然科学奖成果“双向”转化

获得国家自然科学奖的都是基础研究成果,如何推动这类成果转化为生产力?早在2016年,石墨烯功能型平台就开始关注吴明红团队发表的论文,与他们持续深入交流。孟岩告诉记者,检索国际知名期刊的石墨烯论文、分析全球石墨烯专利情报,是石墨烯功能型平台的日常工作。作为上海首批研发与转化功能型平台之一,该平台紧密跟踪国内外学术界、产业界的研发动向,着力构建石墨烯技术创新、中试及产业化的核心服务能力,力争把上海打造成这一前沿技术的创新策源地。

据宝山区科委介绍,石墨烯功能型平台与上大的合作得到了上海市科委、宝山区委、区政府的高度重视和支持,被列为宝山和上大区校合作的重点项目。这一项目的转化落地有五个样板意义:一是功能型平台有效促进成果转化,上大的实验室技术通过示范应用走向了市场;二是带动新兴产业,石墨烯新材料在环保领域开拓了新市场;三是政府对新技术示范应用的引领和开放;四是高校、团队和市场之间找到了结合机制;五是上大、宝山之间的校区合作形成了良性互动。

河道示范工程效果显著

去年5月,上大科研团队在校园里完成了石墨烯复合材料治理小型水体试验,这是“精确控制石墨烯氧化膜层间距”成果的一个转化应用方向。上海大学环境与化学工程学院教授唐量介绍,他们把石墨烯氧化膜的层间距调控到适合微生物生存的尺度,随后把工程菌植入石墨烯氧化膜,构成了石墨烯工程菌复合材料。

石墨烯与工程菌结合,具有“1+1>2”的治水效果:一方面,石墨烯凭借巨大的比表面积和一定的催化活性,能吸附水体污染物并降解部分有机分子;另一方面,工程菌以石墨烯材料为载体生存繁衍,不断分解水体污染物,并把石墨烯吸附的有机碳污染物作为“食物”。“石墨烯工程菌复合材料能从生物链底端开始修复水生生态环境,对水体及水生生物无毒无害,不会造成二次污染。”唐量说。

石墨烯材料把黑臭河道变清了!国家自然科学奖成果“双向”转化

功能型平台员工将含有石墨烯复合材料的微生物制剂注入大桶。

用这种新技术治理河道的效果究竟如何?校内试验结束后,石墨烯功能型平台立即与宝山区科委和城市工业园区管委会沟通,希望启动示范工程。去年6月底,上大与平台联合团队领到一项艰巨任务——治理园区内污染最严重的小孟家宅河。

那时正值盛夏,小孟家宅河散发着阵阵臭味。然而示范工程团队没有怨言,把一桶桶含有石墨烯复合材料的微生物制剂运到河畔,定时定量注入河中。他们还在河中安装了多台水泵,让石墨烯工程菌复合材料流到河道的各个地方。

令人欣喜的是,治理一个月后,小孟家宅河的蓝藻和臭味消失了,氨氮含量从13.6毫克/升降至1.5毫克/升,透明度从20厘米升至90厘米。当地村民对科研人员说:“这条河恢复到了30年前我小时候的模样。”养护工人笑着说,他敢用河水洗手了。

初战告捷后,宝山城市工业园区管委会又陆续提供了5条河道,签约治理时间为一年。目前,6条河道都还在治理过程中,其水质指标均已达到地表Ⅴ类水标准,部分指标达到地表Ⅳ类或Ⅲ类水标准。

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为钠离子电池建中试线

示范工程的开展,让水体治理新技术快速走上市场化道路。近日,上海大学与石墨烯功能型平台在宝山区联合成立了一家环保科技公司,上大将5件专利许可给公司使用。唐量告诉记者,他们已与北京、江苏、福建、湖南等多地政府部门接洽,争取今年把石墨烯工程菌复合材料用于更多的受污染水体治理,助力生态文明建设。

国家自然科学奖成果的转化方向远不止水体治理。凭借精确控制石墨烯氧化膜层间距技术,上大团队研制出了钠离子电池的石墨烯负极材料。与传统电池负极材料相比,这种材料能储存大量钠离子,大幅提高电池容量。与市场上的锂离子电池相比,以普鲁士蓝为正极、石墨烯材料为负极的钠离子电池有望在成本上降低30%—50%,且安全性更高。由于巨大的应用前景,上大科研团队已与国家电网签约,钠离子电池问世后,将在电网发电端、配送端、使用端投入使用。

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吴明红教授(中)及部分团队成员

如何尽快将这个实验室成果转化为产品?与牵线启动河道示范工程相仿,石墨烯功能型平台再次发挥了中试平台功能,决定建设一条中试生产线,围绕钠离子电池生产中的一系列工艺问题开展研发试验。这种专业化中试服务,高校很难提供,大多数企业则缺乏服务能力或投资动力。为此,上海市区两级政府出资建设了一批研发与转化功能型平台,旨在填补科技成果转化链上的这段缺口。

上大石墨烯研发团队正是这一创新之举的受益者。“不久以后,我们就能在功能型平台的中试基地进行产业化研发,还能使用基地里的许多共享设备。”唐量告诉记者,“这让我们有信心在今年年内研制出钠离子电池,供国家电网试用。”

栏目主编:黄海华 文字编辑:俞陶然 题图来源:赖鑫琳 摄 图片编辑:苏唯

图片摄影:赖鑫琳

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