【正文】 制， 明晰碳納 米管與橡膠懸浮混合物絮凝過 程的各種影響因素。 獲得高活性及高穩(wěn)定性的有序 結(jié)構(gòu)催化劑。 研究橡膠與碳納米管水相納米復(fù)合 的方法及其機理，主要包括碳納米管 表面有機化方法以及碳納米管橡膠 乳液懸浮混合體系絮凝動力學(xué)進行 研究。 以蛭石、水滑石、棒狀纖維及球形顆 粒等有序結(jié)構(gòu)為載體制備金屬組分 高分散度的催化劑。 闡明碳納米管及其網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)和性能對復(fù)合電極材料電化 學(xué)性能、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性的影響 規(guī)律。 完成宏量分離不同導(dǎo)電屬性碳 納米管系統(tǒng)的建立。 通過原位施加外場，獲得某種 導(dǎo)電屬性占優(yōu)的碳納米管。 宏量分離不同導(dǎo)電屬性碳納米管的 裝置建立。 通過原位施加電場、磁場、光輻照、 氧化等選擇性生長金屬性或半導(dǎo)體 性碳納米管。 管在基體中的均勻分散和良好 的界面結(jié)合。 實現(xiàn)單壁碳納米管的定向（折 疊）生長，長徑比大于 3000， 純度大于 99%。 建立多波長激光拉曼光 譜、吸 收光譜、 FET 檢測等表征碳納 米管導(dǎo)電屬性的方法。 建立高分辨透射電鏡與化學(xué)吸附結(jié) 合的手段研究催化劑分散度的表征 方法與平臺。 建立準(zhǔn)確、可靠的碳納米管導(dǎo)電屬性 表征方法和平臺。 效構(gòu)建；獲得高性能碳納米管 復(fù)合電極材料。 獲得不同分離介質(zhì)分離不同導(dǎo) 電屬性的碳納米管的規(guī)律認識 與控制方法，實現(xiàn)小批量（ 110 g/h）的單壁碳納米管的分離， 實現(xiàn)金屬性碳納米管的樣品純 度大于 95%。 研究分散、熱壓工藝對碳納米管復(fù)合 材料界面結(jié)構(gòu)特征影響。 研究催化劑、工藝條件與碳納米管定 通過對碳納米管生長過程的過 向生長的宏觀結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。 管在基體中的均勻分散和良好 的界面結(jié)合。 實現(xiàn)單壁碳納米管的定向（折 疊）生長，長徑比大于 3000， 純度大于 99%。 建立多波長激光拉曼光 譜、吸 收光譜、 FET 檢測等表征碳納 米管導(dǎo)電屬性的方法。 建立高分辨透射電鏡與化學(xué)吸附結(jié) 合的手段研究催化劑分散度的表征 方法與平臺。 建立準(zhǔn)確、可靠的碳納米管導(dǎo)電屬性 表征方法和平臺。 完成宏量分離不同導(dǎo)電屬性碳 納米管系統(tǒng)的建立。 通過原位施加外場，獲得某種 導(dǎo)電屬性占優(yōu)的碳納米管。 宏量分離不同導(dǎo)電屬性碳納米管的 裝置建立。 通過原位施加電場、磁場、光輻照、 氧化等選擇性生長金屬性或半導(dǎo)體 性碳納米管。 研究弱酸氧化碳納米管及其單分散技術(shù)，發(fā)展碳納米管的再組裝成膜與 氫鹵酸還原方法。 主要研究內(nèi)容： 研究碳納米管在復(fù)合電極中的分散特性、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及界面結(jié)合情況，采 用機械融合等方法制備高功率特性、高安全性和高能量密度的碳納米管復(fù)合電極 材料。 主要承擔(dān)單位：中科院金屬研究所、北京化工大學(xué) 課題負責(zé)人：馬宗義 研究員 經(jīng)費比例： 21% 課題四：碳納米管在鋰離子動力電池及柔性光電器件中的應(yīng)用研究 研究目標(biāo)： 獲得高安全性、高功率特性碳納米管復(fù)合電極材料的優(yōu)化結(jié)構(gòu)及制備方 法。 利用 XRD、電子顯微分析及拉曼光譜等手段研究碳納米管、預(yù)制體及復(fù) 合材料的微觀結(jié)構(gòu)，對碳納米管本征特性、缺陷、雜質(zhì)與分布排列等對復(fù)合材料 性能的影響進行表征與評價，探討復(fù)合材料的工藝 /質(zhì)量可控性。 揭示碳納米管與輕金屬及橡膠的界面耦合作用，建立可靠的碳納米管 / 金屬及碳納米管 /橡膠復(fù)合技術(shù)。 建立宏量碳納米管的純度及有序度的綜合評價方法與標(biāo)準(zhǔn)。 發(fā)展碳納米管的宏量分離技術(shù)，實現(xiàn)金屬性 /半導(dǎo)體性單壁碳納米管的分 離。 計算模擬和實驗研究相結(jié)合，闡釋碳納米管的結(jié)構(gòu)控制生長原理。 以切短的單壁碳納米管、富勒烯分子和有機合成的碳碗結(jié)構(gòu)等作為催化 劑，采用碳 “端帽 ”導(dǎo)向生長方法，制備手性均一的碳納米管。 課題一：碳納米管的導(dǎo)電屬性與手性 控制制備方法及原理研究 研究目標(biāo)： 建立和發(fā)展碳納米管導(dǎo)電屬性及手性控制制備方法。 （四）課題設(shè)置 針對當(dāng)前碳納米管研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，即碳納米管的導(dǎo)電屬 性和手性控制、碳納米管的低成本大批量可控制備及碳納米管的規(guī)模化應(yīng)用，本 項目設(shè)置以下四個課題，即：課題一，碳納米管的導(dǎo)電屬性與手性控制制備方法 及原理研究；課題二，面向規(guī)模應(yīng)用 的碳納米管低成本批量制備及分離技術(shù)研究； 課題三，碳納米管復(fù)合材料關(guān)鍵制備技術(shù)及規(guī)?；瘧?yīng)用研究；課題四，碳納米管 在鋰離子動力電池及柔性光電器件中的應(yīng)用研究。影響碳納米管薄膜柔韌 性的關(guān)鍵是碳納米管膜與柔性基體的粘附性。即對碳納米管表面進行官 能化處理，使其表面帶上與分散介質(zhì)相容性好的官能團，不僅可以提高其在介質(zhì) 中的分散性，而且成型后經(jīng)還原處理去除官 能團可恢復(fù)碳納米管的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性 能。本項目提出采 用機械融合方法制備碳納米管復(fù)合電極材料，該方法是利用機械力將一種材料鑲 嵌在另一種材料表面，特別適合于少量納米材料（如碳納米管）與微米級基體（如 人造石墨或磷酸鐵鋰）的 復(fù)合過程，且其界面結(jié)合好。如碳納米管在電池材料中形成均勻分布的三維導(dǎo)電導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，可 將電池高功率放電過程中產(chǎn)生的熱量及時傳導(dǎo)到周圍空間，有效降低電芯溫升， 并改善動力電池內(nèi)部的溫度場均勻性，最終提高 電池的安全性及電池組放電過程 的一致性。 相比傳統(tǒng)顆?；蚓ы氃鰪娊饘購?fù)合材料，碳納米管加入量將適量減少，更加有利 于塑性成型。選擇適當(dāng)介質(zhì)還可對碳納米管進行表面改性，有利于實現(xiàn)金屬粉末與 碳納米管的均勻混合。采用該技術(shù)將在界面強 化的基礎(chǔ)上避免碳納米管結(jié)構(gòu)的破壞，確保其性能的發(fā)揮。理 想的輪胎胎肩橡膠應(yīng)具有高強度、耐高溫和導(dǎo)熱性好 的特點，而國內(nèi)外研究和本項目前期工作表明，碳納米管復(fù)合橡膠已表現(xiàn)出相關(guān) 性能優(yōu)勢，具有發(fā)展?jié)摿Α１卷椖拷M已研究了碳納米管在流化床中的流動行為及聚團流化床中批量 制備碳納米管的技術(shù)，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有連續(xù)化制備及處理量大的優(yōu)點。 因此，本項目從刻蝕無定形炭及抑制碳包覆金屬催化劑兩個方面采取措施，保證 高純度碳納米管的高效制備。在 前期工作中初步研究了利用天然無機層狀化合物進行離子交換，在層間沉積金屬 催化劑的方法，發(fā)現(xiàn)碳納米管生長時可以將層狀化合物的結(jié)構(gòu)撐開，在片層間生 長碳納米管陣列?；谇捌诠ぷ骰A(chǔ)，通過對分散劑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，優(yōu) 化分散劑分子在不同導(dǎo)電屬性或手性的碳納米管上的特異性吸附或組裝，再利用 其與某些聚合物、糖、蛋白等大分子的特異性相互作用，結(jié)合電泳或離心技術(shù)可 實現(xiàn)碳納米管的導(dǎo)電屬性或手性分離。 除了直接制備之外，碳納米管導(dǎo)電屬性的生長后分離也極為重要。在此條件下，結(jié)晶度較差的碳納 米管管壁可為填充的催化劑提供碳源，進而形核并生長出碳納米管，因此可在透 射電鏡下原位研究碳納米管在催化劑表面的成核及生長過程。本項目組近期發(fā)展出可高效生長單壁碳納米管的氧化硅等非 金屬催化劑，引起了廣泛關(guān)注。研究還表明單壁碳 納米管的手性結(jié)構(gòu)是由生長初期的端帽構(gòu)型所決定的。 提出機械融合方法制備碳納米管網(wǎng)絡(luò)限域復(fù)合高性能電極材料的設(shè)計思想， 大幅提高鋰離子動力電池的安全性、功率特性和能量密度。研制基于碳納米管透明導(dǎo)電薄膜的柔性顯示器，推進其實際應(yīng)用。 （ 5）研究碳納米管復(fù)合電極材料在鋰離子動力電池中的應(yīng)用技術(shù)，包括正負極 匹配性和電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，采用三維在線溫度測試、加速量熱測試等手段，結(jié) 合溫度場理論，研究碳納米管鋰離子動力電池在快速充放電時的表面溫升、電池 內(nèi)部溫度場分布特征，闡明碳納米管提高鋰離子動力電池安全性的機制。 （ 3）在微觀尺度上研究碳納米管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的聲子、電子和離子輸運 特性。 碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及其功能特性的應(yīng)用 （ 1） 發(fā)展碳納米管復(fù)合高功率 電極材料的制備技術(shù)。 （ 4）采用低場強固態(tài)核磁共振方法研究碳納米管對橡膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)微運動能力的 影響；利用偏振紅外光譜和廣角 X 射線儀等研究碳納米管網(wǎng)絡(luò)對橡膠分子鏈在 外界應(yīng)力下取向和拉伸結(jié)晶情況的影響；研究碳納米管 /橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱性 能、高溫下的應(yīng)力松弛特性、高溫彈性模量、動態(tài)生熱及耐動態(tài)壓縮疲勞等性能， 獲得碳納米管 /橡膠復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系規(guī)律。 （ 2）采用乳液共混共沉方法實現(xiàn)碳納米管在橡膠基體中的均勻分散；應(yīng)用等離 子體接枝技術(shù)實現(xiàn)對碳納米管表面有機官能化程度的調(diào)控，以獲得良好的界面強 化，同時盡量保持碳納 米管表面結(jié)構(gòu)完整。對制備得到的高純度碳納米 管進行高溫?zé)崽幚?，提高其碳層結(jié)構(gòu)完整性，獲得具有高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的碳納 米管。 （ 2）建立熱態(tài)反應(yīng)器中有序結(jié)構(gòu)催化劑定向生長碳納米管陣列的在線熱成像檢 測系統(tǒng)，研究有序結(jié)構(gòu)催化劑、工藝條件等與碳納米管生長及形成宏觀結(jié)構(gòu)的關(guān) 系；利用 CO H 2O等弱氧化劑原位去除無定形炭，提高碳納米管純度及促進催 化劑的原位再生；采用 C13同位素標(biāo)記的方法研究弱氧化劑對碳納米管質(zhì)量與形 貌的影響規(guī)律。采用計算模擬與實驗相結(jié)合的方法研究單壁碳納米管的 生長動力學(xué)和熱力學(xué)，提出碳納米管的可控生長機制，為納米碳材料的控制制備 提供理論指導(dǎo)。 （ 3）利用多波長激光拉曼光譜、吸收光譜、熒光光譜等表征單壁碳納米管的導(dǎo) 電屬性及手性；利用透射電子顯微鏡衍射譜表征單壁碳納米管的手性；采用搭接 電極的方法直接表征單壁碳納米管的電子輸運特性。本項目的順利完成將增強我國在 納米科 技領(lǐng)域特別是碳納米管領(lǐng)域的國際競爭力，并帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和促進新興產(chǎn) 業(yè)的快速發(fā)展。 三、研究方案 （一）學(xué)術(shù)思路與技術(shù)途徑 實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用并為社會創(chuàng)造財富和價值是碳納米管研發(fā)的最終目標(biāo)，而針 對特定應(yīng)用批量、低成本和可控制備出碳納米管是實現(xiàn)該目標(biāo)的重要前提條件。C 熱箱安全性測試），并推 動其在電動汽車中的應(yīng)用。 （ 3） 建立碳納米管 /橡膠及碳納米管 /輕金屬復(fù)合材料的優(yōu)化制備技術(shù)；揭示碳納 米管復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)特征及其結(jié)構(gòu) 性能關(guān)系。 （ 5）建設(shè)一個科研水平和能力位居國際前列的碳納米管研究與開發(fā)基地。 項目名稱： 碳納米管的可控制備方法及規(guī)模應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究 首席科學(xué)家： 成會明 中國科學(xué)院金屬研究所 起止年限： 至 依托部門： 中國科學(xué)院 二、預(yù)期目標(biāo) 項目總體目標(biāo)： （ 1）建立和發(fā)展單壁碳納米管的導(dǎo)電屬性和手性可控制備及分離方法，揭示碳 納米管的可控生長原理，實現(xiàn)單壁碳納米管的導(dǎo)電屬性與手性的有效控制。 （ 4）揭示碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原理，充分發(fā)揮碳納米管的電、熱、光 等功能特性，推動碳納米管在鋰離子動力電池及柔性光電器件中的實際應(yīng)用。 （ 2）面向應(yīng)用，發(fā)展高純度、結(jié)構(gòu)可控碳納米管的低成本、規(guī)模化制備技術(shù)和 設(shè)備；純度高于 %碳納米管的年產(chǎn)能達到千噸級以上，碳納米管陣列、鯡魚 骨狀及高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等特定結(jié)構(gòu)的碳納米管的產(chǎn)量大于 10kg/小時。 （ 4）發(fā)展用于鋰離子動力電池的高功率、高安全性碳納米管復(fù)合電極材料的制 備方法，并 用于制造鋰離子動力電池（單體電池比功率大于 2020 W/kg，大倍率 放電性能 10C/1C 95%，通過 3C/10V 過充電和 150176。造就中青年學(xué)術(shù)帶頭人 5 名以上，其中在國際上較有影響力 的科學(xué)家 23 名；培養(yǎng)研究生 50 名以上。即面向國家重大需求，重點針對碳納米管學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵 科學(xué)問題，立足突破限制碳納米管實用化的瓶頸技術(shù)，大力推動碳納米管在航空 航天、交通運輸、清潔能源等領(lǐng)域的實際應(yīng)用?？疾?