1. 成会明院士介绍
成会明：四川巴中人，著名炭材料科学家，1984年毕业于湖南大学碳素材料专业，1992年获得中科院沈阳金属研究所工学博士学位。1997年，在美国麻省理工学院作高级访问学者，2003年选为杰青，2013年当选中国科学院院士，2014年当选第三世界科学院院士，2016年加入清华-伯克利深圳学院，并担任低维材料与器件实验室主任。曾任著名国际期刊《Energy Storage Materials》主编，《Science China Materials》副主编。成会明院士已在Nature Mater.、Adv. Mater.、APL、CPL、JMR、Carbon等国际刊物上发表学术论文580余篇（其中2008-2017年发表的论文中有84篇为ESI高被引论文），被引用近7.2+万次，H因子115，是科睿唯安公布的2014年和2015年化学和材料科学两个领域的高引用学者之一 ，编撰出版专著、译著4部，获得发明专利100多项。除此之外，成会明院士还非常重视对人才的培养，且效果显著，为祖国培养了大批博士和硕士，他们之中好多已经在院校或科研院所担任重要岗位。成会明院士培养的博士，部分都已评选了杰青和长江学者，甚至还有一名准备参评院士。可见，这位院士已集科学家与教育家于一身。
2. 研究方向及所获奖励
成会明主要从事先进炭材料、石墨烯、其他二维材料等低维材料的制备、性能及应用等研究。提出了浮动催化剂化学气相沉积、非金属催化剂化学气相沉积制备碳纳米管等方法，促进了碳纳米管的研究与应用。提出了模板导向化学气相沉积等方法，制备出石墨烯三维网络结构材料、毫米级单晶石墨烯，发展了石墨烯材料的宏量制备技术。提出了可高效储能的层次孔材料设计和电化学电位调控的思路，制备出一系列新型能量转化与储存材料。研制出块体各向同性热解石墨材料，批量应用于多项重点工程。曾获国家自然科学二等奖、国防科技进步二等奖、何梁何利科学与技术进步奖、美国碳学会Charles E. Pettinos奖等。另外，成会明的研究工作被NSFC《简报》选用、两院院士评为“1999年中国十大科技进展”和科技部评为“1999年中国基础科学研究十大新闻”、美国《Chem. & Eng. News》在1999年内曾两次评述.
3. 人才培养成果
截至目前，成会明院士已经培养了几十名博士和硕士，仅在他领衔的团队就包括4个杰青，1个长江，还有许多他高校或研究所任职的人员。笔者在这里简要介绍他培养的几位优秀弟子。
（1）任文才：中国科学院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者。从事二维材料石墨烯的研究，在石墨烯的生长机制、大尺寸单晶石墨烯与高导电性石墨烯三维网络结构材料的控制制备、高质量石墨烯材料的规模制备以及石墨烯材料的光电、储能等应用方面取得了一系列原创性成果。已在《Nature Materials》《Nature Communication》 等期刊发表 SCI 论文70多篇；申请国家发明专利 24 项，其中获授权 8 项，1 项已实施。2 项成果被 Nature 选为“研究亮点”，1 项成果入选“2011 年度中国科学十大进展”。
（2）刘畅：中国科学院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者，主要从事碳纳米管的制备、性能与应用探索研究。率先提出了宏量制备单壁碳纳米管的氢电弧方法，利用氢在高温下对无定形炭等杂质的刻蚀作用，获得纯度高、结构完整性好的单壁、双壁碳纳米管及其宏观绳状结构；利用金属性和半导体性单壁碳纳米管在化学稳定性上的差异，提出了氧辅助浮动催化剂化学气相沉积法生长半导体性单壁碳纳米管，直接制备得到半导体性碳纳米管含量达到90%的宏量样品（JACS 2011; Carbon 2010）；建立了一种碳纳米管生长机制的透射电镜原位研究方法，对比研究了金属和非金属纳米粒子催化生长碳纳米管的过程和机制，并率先提出非金属催化生长碳纳米管的气-固-固机理（Carbon 2009; JACS 2009 & 2011）；研究发现定向单壁碳纳米管绳具有优异的场发射性能，进而提出其二级增强场发射机制（APL 2005; JAP 2005）；首次设计制备出碳纳米管夹持金属原子链，理论和实验研究发现其具有量子化电导，为金属原子链的连接与集成提供了新途径（PNAS, 2010）；研制出具有优异倍率性能和良好循环稳定性的碳纳米管复合锂离子电池电极材料（Adv Energy Mater 2011; Adv Mater 2010; Chem Comm 2010），并获得了实际应用。
已在Proc National Acad Sci USA, Nano Letters, J Am Chem Soc, Adv Mater, ACS Nano, Chem Comm等国际期刊发表SCI收录论文80余篇，其中影响因子大于4.0的45篇，被引用2000余次。获得专利授权28项，其中包括美国和欧盟专利各1项；已有1项中国专利转让实施。
(3)刘岗，中国科学院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江学者，主要从事半导体光催化的晶面调控以及掺杂设计，曾和先华东理工的杨华桂教授一起在nature上发表了二氧化钛晶面调控的开创工作，紧接着在Jacs和Angew上发表了一些列晶面调控的工作，提出的晶面的理论引领全世界。在2014年，刘岗教授受邀撰写了“Titanium Dioxide Crystals with Tailored Facets”的综述，发表在了ChemicalReview上。刘岗教授的另一个令人称道的贡献就是表面掺杂和均相掺杂理论的提出，这些掺杂理论极富想象力，深化了对掺杂的认识。
（4）李峰，中国科学院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事纳米炭基材料储能应用的研究，在Adv Mater、Nature Comm等国际期刊发表论文220余篇，被引用超过35000次，超过30篇高被引用论文，多次入选科睿维安高被引用科学家名单(材料和化学)，受邀为Science等期刊撰写综述和展望论文，获得国家发明专利20余项。获得国家杰出青年基金(2015)， 2006年获得国家自然科学奖二等奖（排名第二），被聘为《新型炭材料》、《Journal of Energy Chemistry》、《Energy Storage Materials》和《JPhys Energy》编委及《Advanced Functional Materials》客座编辑等。
成会明老师的学术水平自然不用笔者饶舌，在国际上有着相当的影响力；他们课题组也有足够的科研经费，更重要的是他具有极大的人格魅力，能够对学生悉心指导，这也是他能够培养如此之多杰青、长江的关键所在。笔者在上大学的时候，曾受过吴法宇老师的课，他就是成会明老师的弟子之一。
4. 国家级奖项及著作
截至目前，成会明院士共获得的国家级奖项如下：
（1）单壁和双壁碳纳米管的制备和研究，国家自然科学二等奖，排名第1，2006；
（2）高质量石墨烯材料的制备与应用基础研究，国家自然科学二等奖，排名第2，2017；
（3）国防科技进步二等奖，由于保密原因，暂未获得相关数据，2010；
另外，成会明院士还编撰出版专著、译著4部，具体为：《纳米碳管 制备、结构、物性及应用》，《纳米碳管》，《奈米碳管》，《碳材料的拉曼光谱，从纳米管到金刚石》（（英）安德里亚·卡罗·费拉里，约翰·罗伯逊编；谭平恒，李峰，成会明译）
5. 代表性论文
截止2019年，成会明院士在国际国内会议上做特邀报告170多次，发表学术论文650余篇（有83篇为ESI高被引论文），被引用7.2万次，H因子118，是科睿唯安公布的在化学和材料两个领域的高引用科学家之一。笔者这里带大家看看他的几篇代表性论文。
（1）T. Ma, Z. B. Liu, J. X. Wen, Y. Gao, X. B. Ren, H. J. Chen, C. H. Jin, X. L. Ma, N. S. Xu, H. M. Cheng*, W. C. Ren*, Tailoring the thermal and electrical transport properties of graphene films by grain size engineering, Nature Communications 8, 14486, (2017)
晶界作为一种普遍存在的缺陷，在化学气相沉积（CVD）方法中，常用于制备的大面积石墨烯薄膜。深入理解晶界对石墨烯的电学和热学性质的影响对发展基于石墨烯的电子、光电和热电器件具有重要意义。截止目前，大多研究集中在单个晶界对石墨烯性质的影响，但在宏观尺度上，多晶界（与晶粒尺寸有关）对石墨烯电学和热学性质的影响尚不清楚。主要原因是基于传统析出（镍基体）或表面吸附生长（铜基体）机制的CVD生长方法无法在很大程度上调控石墨烯的晶粒尺寸，制备晶粒尺寸小于电子和声子平均自由程（约1微米）的小晶粒石墨烯尤为困难。
为了解决这一难题，沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部石墨烯研究组（任文才，成会明为核心成员）在金属铂片生长基体上适量溶碳，发展出一种基于“析出-表面吸附生长”原理的CVD方法。仅通过改变析出温度，这种新的CVD方法便实现了对石墨烯形核密度的控制，制备出晶粒尺寸在~200 纳米到~1 微米范围内均一可调、且晶界完美拼合的高质量单层多晶石墨烯薄膜。在此基础上，它们研究了晶粒尺寸对多晶石墨烯的电导率和热导率、晶界电阻率（~0.3 kW·µm）以及晶界热导（~3.8×109 Wm-2K-1）的影响规律，研究发现：减小晶粒尺寸可导致热导率的显著降低，但电导率基本维持不变。由他们提出的公式推算，当石墨烯的晶粒尺寸从1毫米减小到5纳米时，其热导率的衰减幅度可达300倍，而电导率的衰减仅为10倍左右，并且热导率和电导率随晶粒尺寸的变化率高于典传统半导体热电材料。
Figure1
黑线上面的图为以铂作为生长基体的“析出-表面吸附生长”CVD方法；黑线下面的图为采用“析出-表面吸附生长”CVD方法制备的晶粒尺寸均一可调的高质量多晶石墨烯薄膜及晶粒尺寸对石墨烯热导率和电导率的影响[1]
（2）Green synthesis of graphene oxide by seconds timescale water electrolytic oxidation（Nature Communications, 9, 145, doi:10.1038/s41467-017-02479-z, 2018）
该文主要提出了一种电解水氧化的新方法，打破了150多年来通过强氧化剂对石墨进行氧化的传统思路，实现了氧化石墨烯的安全、绿色、超快制备。在该方法提出之前，氧化石墨烯主要通过剥离氧化石墨来进行制备，这种方法存在很多缺陷。以经典的Hummer’s法为例，氧化石墨烯是通过强氧化剂浓硫酸和高锰酸钾对石墨氧化插层处理，使部分碳原子由sp2杂化状态转变为sp3杂化状态的氧化石墨，再进一步经过超声分散处理，得到单层的二维氧化石墨烯。然而Hummer’s法的缺点非常突出，在制备过程中存在爆炸的风险，最终还会产生超过1000倍氧化石墨烯质量的酸性废水，造成严重的环境污染。因为浓硫酸、高锰酸钾为主要物质的复合强氧化剂在反应中会生成的高活性中间产物。从环保、安全性以及制备过程的复杂性来看，传统制备氧化石墨烯的方法不符合可持续发展战略。
中科院金属所（沈阳材料科学国家研究中心）成会明，任文才研究员提出了一种新方法，解决了这一难题。首先将石墨纸电极在浓硫酸中充分预插层，这一处理加快了第二步反应中石墨的氧化速率，可实现在几秒钟内快速氧化插层石墨纸中的石墨烯片层；另外，在第二步电解过程中，经过预插层处理的石墨纸电极能够有效抑制电解液中的水进入电极内部的氧气生成反应，导致的石墨电极结构破坏。利用氧同位素示踪和自由基捕获实验表明：氧化石墨烯中的氧元素主要来源于电解液中的水，电解水产生大量高活性含氧自由基，这些氧自由基与石墨反应，将内部片层面与边缘同时氧化从而得到氧化石墨。这一发放的好处是；（1）反应中硫酸几乎没有损耗，也不生成其它物质，可以循环利用。（2）电解水氧化制备氧化石墨烯的氧化速率比现有方法快100多倍，并且易于连续化制备，有效解决了氧化石墨烯制备长期面临的爆炸危险、环境污染及反应周期长的问题，有望大幅降低制备成本，且可以实现氧化石墨烯的工业化应用。
Figure 2
a. EGO的制备过程示意图。b-e. 光学照片：b. 商用石墨纸，c. 98wt.%的浓硫酸中电化学处理的预插层石墨复合物（蓝色区 域），d. 50wt.%硫酸中电解水氧化的氧化石墨烯（黄色区域），e. 超声后的高分散5mg/ml电解氧化石墨烯分散液
（3）L. B. Gao, W. C. Ren, H. L. Xu, L. Jin, Z. X. Wang, T. Ma, L. P. Ma, Z. Y. Zhang, Q. Fu, L. M. Peng, X. H. Bao & H. M. Cheng*, Repeated growth and bubbling transfer of graphene with millimetre-size single-crystal grains using platinum, Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms1702 (2012).
该文在在大尺寸单晶石墨烯及其薄膜的制备和无损转移方面取得重要进展。自从石墨烯发现以来，其优异的性能吸引了全世界科学界的眼球。作为单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状结构，石墨烯极高的载流子迁移率、高透光性、高强度等众多优异性质在电子、太阳能电池、传感器等领域有着重要的潜在应用。目前制备高质量石墨烯的方法主要有胶带剥离法、碳化硅或金属表面外延生长法和化学气相沉积法（CVD），前两种方法效率太低，不适于大量制备，而迄今由CVD法制备的石墨烯晶畴在纳米级到微米级尺寸范围内，它们相互拼接，组成多晶材料。晶畴之间晶界的存在会严重降低石墨烯的质量和性能，因此大尺寸单晶石墨烯的制备具有极其重要的意义。可以极大促进石墨烯基本物理性质的研究及其在电子学等方面的应用。此外，石墨烯通常在金属基体上生长，形成后的单晶石墨烯能否高质量地从金属基体转移到其它材料基体上是实现其在不同领域应用的前提。但现有的腐蚀转移方法会造成石墨烯结构和基体金属的破坏，还造成了一定的环境污染。原料的浪费使得制备石墨烯的成本大大增加，尤其以贵金属为基生长的石墨烯，由于化学稳定性强，成本贵，不适合转移。这一难题被成会明、任文才研究员成功的解决了。在前人工作的基础上（常压CVD方法生长石墨烯），提出采用贵金属铂作为生长基体，实现了毫米级尺寸六边形单晶石墨烯的制备（图1），并制备出由毫米级单晶石墨烯构成的石墨烯薄膜。研究发现，铂对甲烷和氢气的催化裂解能力较强，多晶铂和单晶铂上石墨烯的生长行为相似，反应中低浓度甲烷和高浓度氢气的使用是实现石墨烯低成核密度并最终制备出大尺寸单晶石墨烯的关键。由于石墨烯与铂基体较小的热膨胀系数，实验合成的石墨烯上褶皱的平均高度仅为0.8纳米，远小于以铜、镍基体上生长的石墨烯。选区低能电子衍射和低能电子显微镜对单个石墨烯岛的表征发现，具有规则六边形结构的石墨烯岛均为单晶，而边界处有凹角存在的石墨烯岛为多晶结构。另外一个重大的成果是他们还发明了一种基于电化学气体插层的鼓泡无损转移方法，可将铂上生长的石墨烯转移到任意基体上（图2）。与现有基于基体腐蚀的传统转移方法不同，该转移方法对石墨烯及铂基体均无破坏和损耗，铂基体可无限次重复使用。转移后的石墨烯完整的保留了原有结构和质量，无金属杂质残留（图3）。该鼓泡转移方法具有普适性，操作简便、速度快、无污染，可以在钌、铱等贵金属以及铜、镍等常用金属上生长的石墨烯的转移，金属基体可重复使用。拉曼光谱研究表明，该方法转移的单晶石墨烯具有很高的质量（图4）。他们进而与北京大学电子系的彭练矛研究团队合作，将转移到Si/SiO2基体上的单晶石墨烯制成场效应晶体管，测量出该单晶石墨烯室温下的载流子迁移率可达7100cm2V-1s-1（图4），并有望通过使用氮化硼基体得到进一步提高。该成果的重要意义在与：金属基体上大尺寸单晶石墨烯及其薄膜的多次重复生长为石墨烯基本物性的研究及其在高性能纳电子器件、透明导电薄膜等领域的实际应用奠定了材料基础。
Figure3
（1）多晶铂上生长的毫米级单晶石墨烯及由其构成的连续薄膜；（2） 基于电化学气体插层的鼓泡无损转移方法；（3） 多晶铂上生长及转移到Si/SiO2基体上的六边形单晶石墨烯；（4） 六边形单晶石墨烯的拉曼光谱及其电输运特性（图中每组图均以黑线分割）。
（4）Z. P. Chen, W. C. Ren, L. B. Gao, B. L. Liu, S. F. Pei, H. M. Cheng*, Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition, Nature Materials 10, 424-428 (2011).
该文主要在石墨烯三维体材料的宏量制备和应用方面取得重要突破。石墨烯单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状的完美晶体结构使它具有优异的电学、力学、热学和光学等特性。集超高载流子迁移率、高强度、很好的柔韧性和伸展率、超高热导率、高比表面积于一身。这些优异的物理性质使其在很多方面展现出巨大的应用潜力。例如射频晶体管、超灵敏传感器、柔性透明导电薄膜、超强和高导复合材料、高性能锂离子电池和超级电容器等。
大规模制备高质量石墨烯，并把具二维石墨烯片组装成具有特定结构的三维材料对综合利用石墨烯众多的优异性质、实现其宏量应用具有极其重要的意义。截至目前，世界范围内的科学家相继制备出具有高强度的纸状石墨烯体材料、柔性透明导电薄膜和三维多孔体材料，极大地拓展了石墨烯的应用空间。目前，CVD方法的迅速发展极大促进了大面积高质量石墨烯的制备及其在透明导电薄膜方面的应用。同时该方法又存在一些局限性。例如铜箔、镍膜等金属作为生长基体制备的石墨烯薄是二维的，适于纳电子器件和透明导电薄膜等的应用，但复合材料、储能材料等宏量应用则远远不及。
成会明、任文才团队成功的突破了传统CVD方法的局限，在石墨烯三维体材料的宏量制备和应用方面取得重要突破。他们采用兼具平面和曲面结构特点的泡沫金属作为生长基体，成功制备出具有三维连通网络结构的泡沫状石墨烯体材料。研究发现，这种石墨烯体材料完整地复制了泡沫金属的结构，石墨烯以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有优异的电荷传导能力、850 m2/g 的比表面积、99.7%的孔隙率和5 mg/cm3的极低密度（图1）。并且，这种方法可控性好，易于放大，通过改变工艺条件可以调控石墨烯的平均层数、石墨烯网络的比表面积、密度和导电性，并且采用基体卷曲的方法可制备出170 × 220 mm2及更大面积的石墨烯泡沫材料。
基于石墨烯泡沫独特的三维网络结构，他们采用原位聚合的方法制备出石墨烯泡沫/硅橡胶复合材料，发现在石墨烯添加量仅为0.5 wt%的条件下，复合材料的电导率可达10 S/cm（图2），比基于化学氧化剥离法制备的相同添加量的石墨烯复合材料的电导率提高了6个数量级，也高于基于高质量碳纳米管的复合材料的电导率。而且，这种复合材料具有很好的柔韧性和稳定性（图3），在弯折和拉伸等条件下仅有很小的电阻变化（如50%拉伸应变条件下的电阻变化<20%），在应力释放后可迅速恢复其原有形貌和电阻值，因此是一种理想的弹性导体材料，在柔性显示器、可穿戴式移动通讯设备和人造皮肤等柔性电子方面具有广阔的应用前景。
该研究团队提出的以多孔金属作为生长基体是石墨烯CVD生长的一条新思路，可实现高质量石墨烯的大量制备，也为具有特定结构、性能和应用的石墨烯三维体材料的制备提供了一个基本策略。这种石墨烯三维网络体材料集成了三维网络独特的形貌特征和石墨烯独特的物理化学性质，不仅具有极低的密度、极高的孔隙率和高比表面积，而且还具有石墨烯优异的电学、热学、力学性能，拓展了石墨烯的物性和应用空间，为石墨烯在柔性导电、导热、热管理、电磁屏蔽、吸波、催化、传感及储能材料等领域的应用奠定了坚实基础。
Figure 4
（1）CVD方法制备的具有三维连通网络结构的石墨烯泡沫材料；（2） 石墨烯泡沫/硅橡胶复合材料及其导电性和应力-应变曲线；（3）石墨烯泡沫/硅橡胶复合材料在应力下的形貌和电阻变化。
在半导体光催化、碳纳米管等研究方向上，以成会明为通讯或挂名的高质量文章还有非常之多，难以一一列举，感兴趣的读者可以参考他在金属所和清华-伯克利深圳学院的官方网站。
6. 人物评价
优异的科研成果和人才培养，使得成会明院士得到了世界范围内的好评。2014年被增选为第三世界科学院院士；2016年加盟清华-伯克利深圳学院，创建低维材料与器件实验室并担任主任。2010年，他获得了美国碳学会Charles E. Pettinos奖，与会专家评价道“成会明在理解碳纳米管、储能用碳材料及石墨烯方面做出了的杰出研究工作” 。2015年，成会明又获得了德国西格里碳素集团Utz-HellmuthFelcht奖，与会专家评价道“成会明在碳纳米材料及新型能源材料研究特别是在化学气相沉积方法制备石墨烯大单晶畴和三维网络结构方面做出了贡献”。当然，成会明院士还获得了许多国内外大奖，头衔名誉甚多，好评如潮。
本文由虚谷纳物供稿。
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