2020年 第六十期(總第484期)
2020-09-21 11:05 來源:
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中國科學院老科學技術工作者協會
簡 報
﹝2020﹞第六十期(總第484期)
中科院老科協辦公室 2020年9月18日
中科院老科協力學所分會代表參加實驗設備驗收會議見證
電弧法制備富勒烯取得突破性進展
2020年8月29日,三弧科創公司制備富勒烯C60實驗設備驗收會議在承德舉行,中國科學院化學所機關和科研團隊到場驗收,中國科學院老科協力學所分會代表參加會議。三方一起見證電弧法制備富勒烯取得突破性進展。
富勒烯被稱為“來自宇宙星云的禮物”,1985年實現人工合成。1996年,發現并合成富勒烯的三位科學家Curl,Smalley 和Kroto獲得了諾貝爾化學獎。人類生存的地球罕見富勒烯,2010年科學家發現外太空存在富勒烯。有人說,“也許外太空的富勒烯為地球提供了生命的種子”。
從分子結構看,富勒烯是一族全碳原子構成的中空分子,呈球型、橢球型、柱型或管狀。C60的60個碳原子構成20個六元環和12個五元環拼接成足球形“籠子”,也稱“足球烯”。
奇特的分子結構,帶來富勒烯奇特的物理、化學、生物學性質。人們驚喜發現,富勒烯在新能源、生物醫藥、軍工國防、農業生物工程等領域有巨大應用價值,在不遠的將來必將大放異彩!目前已成功研發富勒烯系列化妝品、富勒烯潤滑油、富勒烯添加劑、富勒烯抗癌藥物等,市場響應熱烈。僅中科院化學所王春儒研發團隊就已申請150余件生物醫學方面的專利,在富勒烯醫療領域團隊專利數世界第一!
高純富勒烯生物相容性良好,但是制備富勒烯時難以避免的稠環芳香雜質卻是有毒的。雖然C60是富勒烯家族中相對易得、易提純和較廉價的一類,其制備依然困難重重。從燃燒法到電弧法,王春儒團隊已經發展了三代規模制備技術,但是醫藥級富勒烯生產成本仍然高達每公斤百萬元!
高純C60的制備已成為推廣應用富勒烯的瓶頸,掐脖子難關!
2017年,作為長期從事攻克航天器再入大氣層熱障、黑障技術實驗研究的中國科學院力學研究所研究團隊的一員,退休高級工程師、年過八旬的紀崇甲了解到這一情況,在參觀現有電弧生產富勒烯裝備時發現該電弧技術存在要害弱點,建議將多年積累研發的高品質電弧加熱器等離子體炬用于制備高純C60,并與王春儒團隊達成戰略合作協議。紀崇甲聯合真空技術領先企業承德新新機械設備制造有限公司,成立三弧科創公司。三弧科創公司成立至今,紀崇甲沒有領過任何工資報酬,他一心一意把自己的知識和經驗傳遞給年輕人。2018年1月5日三弧科創與中國科學院化學研究所簽訂了富勒烯合成設備研發合同,開始了第四代富勒烯合成技術的艱難探索。
憑借紀崇甲的知識積累,三個月成功研發等離子體炬及其配套電源,四個月完成1.0型富勒烯設備的設計和制造,五個月反復摸索修改,三弧科創終于在2019年1月13日,在沒有暖氣的待拆遷廠房中首次成功合成富勒烯,產率約為0.5%;隨即在2019年3月29日,將產率提升到1.5%。王春儒的評價是“第四代生產富勒烯技術獲得突破,可望將富勒烯生產成本降低50%”,紀崇甲榮獲“富勒烯科學奉獻獎”。
本來,首型設備完善后即算完成合同了,但是,紀崇甲和承德的合作者不想止步。在力學所分會的安排下,他們參觀力學所上世紀五、六十年代在錢學森等老一輩科學家率領下研發火箭的試驗基地,參加力學所紀念郭永懷逝世50周年學術活動,決心弘揚“兩彈一星”精神,挑戰納米世界難題。為了進一步提高產率、解決高溫部件燒損、更換工作氣體、實現連續生產等問題,他們籌劃大改結構設計。2019年7月征得王春儒團隊同意,8月完成設計,自籌經費于12月初建成2.0型富勒烯合成設備并投入試驗,12月3日試驗產率翻番,達到3%,12月17日提升到4%,2020年1月產率又翻番,達到6%。
在頑強拼搏中,紀崇甲和承德同伴已經錘煉成了不怕困難、奮發創新的團隊。他們乘勝前進,面對突然襲來的新冠肺炎,防疫與創新兩不誤,再次升級改造,制成2.1型設備,在2020年6月產率又翻一番,達到12%,遠遠超過合同約定。
紀崇甲最新設計的等離子體炬的弧根溫度達到10000,遠高于石墨電極氣化溫度。由于等離子體炬采用壓縮轉移弧,除了提高了溫度,同時提高了發生器的電弧功率。第三代電弧法技術中采用兩個碳棒放電,這里的電弧功率僅為4kw,而三弧科創采用壓縮弧的功率則大于20kW,顯著提高了功率。因而使氣化速度大大提高,產量也就大幅度提高了。這樣就同時保證了制備富勒烯C60的產率和純度。承德同伴完成的全套機電設計和精密制造,初步解決了連續生產的一系列難題,有望將高純富勒烯的生產成本大幅降低。
這是中國科學院老科協力學分會成員學習實踐錢學森工程科學思想的成果,是承德企業勇于承擔創新主體責任、認真貫徹國家創新戰略的成果,是化學所與三弧科創兩個富勒烯研發團隊精誠合作的成果。
祝愿他們在將富勒烯科研成果轉化為生產力的努力中取得更大勝利!
紀崇甲(左)和王春儒簽訂戰略合作協議(2017年10月17日)

紀崇甲(前左)代表三弧科創在驗收文件上簽字(2020年8月29日)
簽字儀式結束后紀崇甲和王春儒(右)在驗收現場合影
?。ㄖ锌圃豪峡茀f力學所分會 丁雁生供稿)