【導(dǎo)讀】納米管的可控生長原理，實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管的導(dǎo)電屬性與手性的有效控制。術(shù)和裝置，實(shí)現(xiàn)高純度、易分散、形貌和結(jié)構(gòu)可控碳納米管及其陣列的宏量制備，為碳納米管的規(guī)模化應(yīng)用提供材料保障。等功能特性，推動(dòng)碳納米管在鋰離子動(dòng)力電池及柔性光電器件中的實(shí)際應(yīng)用。建設(shè)一個(gè)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。建立碳“端帽”導(dǎo)向生長等直接制備導(dǎo)電屬性及手性均一碳納米管的方法，屬性碳納米管的電動(dòng)色譜技術(shù)。管純度達(dá)到99%；金屬性碳納米管的純度達(dá)到90%。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(shí)。量提高40％的輪胎耐久性實(shí)驗(yàn)。研制出高性能碳納米管復(fù)合飛行器成像系統(tǒng)支。專利的推廣和實(shí)施。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。即面向國家重大需求，重點(diǎn)針對碳納米管學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵。本項(xiàng)目的順利完成將增強(qiáng)我國在。的結(jié)合方式，探索非金屬催化劑生長和調(diào)控碳納米管結(jié)構(gòu)的機(jī)制。散度的表征與調(diào)控方法。

　　

【正文】 利用掃描、透射、高分辨電鏡、拉曼 和 80nm 級別且可控的鯡魚骨 狀碳納米管，產(chǎn)量達(dá) 10kg/h。 光譜、熒光光譜、熱重分析、表面吸 獲得碳納米管的純度、結(jié)構(gòu)、 附等開展宏量制備碳納米管的結(jié)構(gòu) 表征和質(zhì)量評價(jià)研究。 系統(tǒng)研究端帽調(diào)控、非金屬催化、外 場輔助等控制生長碳納米管的機(jī)理。 相對含量及有序度等信息，建 立宏量碳納米管 (包括不同導(dǎo) 電屬性的單壁碳納米管 )質(zhì)量 的綜合評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)。 典型零件的放大工藝研究與典型件 研制出滿足設(shè)計(jì)需 求的復(fù)合材 綜合工況下的考核。 料零件并取得試用結(jié)果報(bào)告。 根據(jù)考核結(jié)果對復(fù)合材料體系設(shè)計(jì) 研制生產(chǎn)出小批量復(fù)合材料零 與制備加工工藝再次優(yōu)化并加以驗(yàn) 證。 件，達(dá)到課題目標(biāo)并能滿足實(shí) 際應(yīng)用需求，形成應(yīng)用示范。 深入研究碳納米管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的 確立碳納米管復(fù)合電極材料和 構(gòu)建及其功能特性、優(yōu)化制備方法。 透明導(dǎo)電薄膜的優(yōu)化制備方 1 提供公斤級樣品給電池生產(chǎn)商 法。 進(jìn)行性能評價(jià)，根據(jù)反饋意見對復(fù)合 建成高功率復(fù)合電極 材料 電極材料性能進(jìn)行優(yōu)化。 的中試生產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)小批量工 1 研究碳納米管透明導(dǎo)電薄膜在 業(yè)應(yīng)用。 柔性顯示器中的應(yīng)用。 1 獲得基于碳納米管透明導(dǎo) 1 準(zhǔn)備項(xiàng)目驗(yàn)收。 電膜的電子紙等柔性顯示器， 推進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用。 一、研究內(nèi)容 本項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題包括：單壁碳納米管的導(dǎo)電屬性及手性 控制方法與原理；面向特定應(yīng)用的碳納米管的低成本、宏量及可控制備科學(xué)與技 術(shù) ；碳納米管復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化方法與原理；碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)的構(gòu)建原理及其功能特性應(yīng)用方法。 單壁碳納米管的導(dǎo)電屬性及手性控制方法與原理 單壁碳納米管的導(dǎo)電屬性及手性控制是當(dāng)前碳納米管研究中的一個(gè)核心問 題。一方面，在原子尺度實(shí)現(xiàn)碳納米管結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控對碳納米管生長機(jī)制的 理解具有重要意義；另一方面，獲得單一導(dǎo)電屬性及手性的碳納米管可極大促進(jìn) 碳納米管在電子、光電器件中的實(shí)際應(yīng)用。本項(xiàng)目提出采用施加外場、催化劑調(diào) 控、碳 “端帽 ”導(dǎo)向生長、原位研究碳納米管生長過程等方法，探索生 長單一導(dǎo) 電屬性和手性碳納米管的原理和方法，并建立碳納米管的可控生長機(jī)制。 主要研究內(nèi)容： （ 1）外場誘導(dǎo)法直接生長金屬性或半導(dǎo)體性單壁碳納米管。利用金屬性和半導(dǎo) 體性碳納米管結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異，在碳納米管生長過程中原位引入電場、磁場、 光輻照等外場，進(jìn)行單一導(dǎo)電屬性碳納米管的選擇性生長；探索導(dǎo)電屬性可控碳 納米管的制備方法并優(yōu)化其生長條件。 （ 2）碳 “端帽 ”導(dǎo)向生長手性可控的單壁碳納米管。以富勒烯分子或切短的具 有相同手性的單壁碳納米管作為 “端帽 ”或 “種籽 ”，控制生長手性全同的單壁 碳納 米管，系統(tǒng)研究手性可控碳納米管的制備方法及生長機(jī)理。 （ 3）探索新型催化劑控制生長碳納米管，研究催化生長碳納米管的控制機(jī)制。 制備尺寸均勻、化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)可控的金屬和非金屬催化劑納米粒子，探索其生 長導(dǎo)電屬性和手性可控碳納米管的可行性及相關(guān)機(jī)制。 （ 4）搭建單壁碳納米管生長過程原位研究平臺。利用 STMTEM 樣品臺等在透 射電鏡下原位研究單壁碳納米管的催化生長過程及熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征，揭示其 生長機(jī)制；將 CVD 生長體系引入到激光拉曼光譜分析系統(tǒng)，原位研究單壁碳納 米管的生長過程與生長機(jī) 理。 （ 5）開展基于電動(dòng)色譜原理的不同導(dǎo)電屬性單壁碳納米管的低成本宏量分離。 利用金屬性和半導(dǎo)體性碳納米管結(jié)構(gòu)和表面電荷分布密度的差異，通過分散劑結(jié) 構(gòu)的設(shè)計(jì)，調(diào)制多孔分離介質(zhì)在電場存在下對不同手性和導(dǎo)電屬性碳納米管選擇 性的識別能力，實(shí)現(xiàn)不同導(dǎo)電屬性單壁碳納米管的宏量分離，并建立碳納米管導(dǎo) 電屬性宏量分離純度的快速、可靠的評價(jià)方法。 面向特定應(yīng)用的碳納米管的低成本、宏量及可控制備科學(xué)與技術(shù) 結(jié)構(gòu)可控碳納米管的宏量、低成本制備是實(shí)現(xiàn)碳納米管規(guī)?；瘧?yīng)用的重要前 提和基礎(chǔ)。在 碳納米管結(jié)構(gòu)調(diào)控研究的基礎(chǔ)上，突破超高活性催化劑設(shè)計(jì)、大尺 度反應(yīng)器構(gòu)建、超高純度和特定結(jié)構(gòu)的碳納米管的批量化制備等關(guān)鍵問題，建立 面向應(yīng)用具有特定結(jié)構(gòu)碳納米管的宏量、低成本制備技術(shù)，為碳納米管的規(guī)?；? 應(yīng)用研究提供材料保障。 主要研究內(nèi)容： （ 1）設(shè)計(jì)與合成用于碳納米管定向、高效生長的有序納米層狀金屬催化劑。研 究不同有序載體如層狀化合物、水滑石、纖維狀載體等擔(dān)載金屬催化劑的方法； 建立有序結(jié)構(gòu)催化劑分散度的表征方法和有序結(jié)構(gòu)催化劑的熱穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)變 化的表征與調(diào)控方法。 （ 2）建立高純 度碳納米管的生長規(guī)律、制備技術(shù)及在線監(jiān)測技術(shù)。研究有序結(jié) 構(gòu)催化劑對不同碳源的適應(yīng)性；研究最優(yōu)碳源的裂解動(dòng)力學(xué)行為與催化劑失活動(dòng) 力學(xué)；研究利用 CO H 2O等弱氧化劑原位去除無定形炭，促進(jìn)催化劑原位再生 的方法；采用 C 13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；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速率的在線熱成 像檢測系統(tǒng)；研究碳納米管定向聚集結(jié)構(gòu)與催化劑及制備工藝的關(guān)系。 （ 3）考察大尺度、高膨脹比條件下多級逆流變徑流化床反應(yīng)器中氣固流體力學(xué) 對 CVD 法生長碳納米管的影響規(guī)律。研究以不同金屬催化劑顆粒及碳納米管為 流化介質(zhì)的流體力學(xué)行為；研究多級逆流流化床的多孔分布器、碳納米管流向控 制折流板及氣固分離結(jié)構(gòu)與碳納米管溢流裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；利用氣體原位示 蹤的方法研究氣固逆流操作效率及其對熱態(tài)操作過程碳源轉(zhuǎn)化率的影響；研究在 催化劑連續(xù)加入與碳納米管連續(xù)取出過程中，保持碳納米管品質(zhì)均一性的方法。 （ 4）優(yōu)化多級逆流變徑流化床內(nèi)熱態(tài)催化生長碳納米管技術(shù)。研究在不同尺寸 的多級逆流變徑流化床內(nèi)利用有序結(jié)構(gòu)金屬催化劑制備超高純度碳納米管的技 術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳納米管純度與催化劑活性的可控監(jiān)測與優(yōu)化；研究基于無機(jī)氧化物片 層與碳納米管陣列相間的有序結(jié)構(gòu)雜化體的批量可控制備技術(shù)；研究高純度碳納 米管陣列垂直度與流化床操作條件間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)超直碳納米管的批量制備。 （ 5）研究高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱及鯡魚骨狀碳納米管的批量制備技術(shù)。通過工藝條件 及催化劑調(diào)控，發(fā)展比表面積與石墨結(jié)晶度可控的高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱及鯡魚骨狀碳 納米管的宏量制備技術(shù)。 （ 6）建立碳納米管純度及質(zhì)量等的綜合評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)。利用掃描、透射、高 分辨電鏡、拉曼光譜、 PL 譜、熱 重分析、表面吸附等手段對宏量碳納米管進(jìn)行 表征，獲得其純度、結(jié)構(gòu)及有序度等信息，建立宏量碳納米管質(zhì)量的綜合評價(jià)方 法與標(biāo)準(zhǔn)。 碳納米管復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化方法與原理 研究碳納米管復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化方法對提高復(fù)合材料的綜合 性能、闡釋碳納米管的強(qiáng)化機(jī)制及推動(dòng)碳納米管的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。本項(xiàng) 目將發(fā)展碳納米管 /橡膠和碳納米管 /輕金屬復(fù)合材料的制備技術(shù)，研究復(fù)合材料 界面結(jié)構(gòu)特征及其調(diào)控方法，揭示碳納米管自身結(jié)構(gòu)、分散性及界面特征對復(fù)合 材料性能的影響，闡釋碳納米管的 結(jié)構(gòu)和功能增強(qiáng)機(jī)理，力爭實(shí)現(xiàn)碳納米管復(fù)合 材料的規(guī)模化應(yīng)用。 主要研究內(nèi)容： （ 1）提出可逆表面官能化方法實(shí)現(xiàn)碳納米管的單分散。利用碳納米管表面可官 能化、且一些官能團(tuán)可通過后處理去除恢復(fù)碳納米管結(jié)構(gòu)完整性的特點(diǎn)，調(diào)控碳 納米管的表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)及其與分散介質(zhì)的相互作用，實(shí)現(xiàn)碳納米管的單分散； 發(fā)展碳納米管單分散的表征方法，揭示碳納米管在介質(zhì)中單分散的形成、優(yōu)化和 穩(wěn)定化原理；優(yōu)化去官能化、恢復(fù)碳納米管本征結(jié)構(gòu)和性能的還原方法。 （ 2）建立碳納米管在基體材料中的分散與復(fù)合方法。研究碳納米管在橡 膠、輕 金屬等基體中的分散方法；研究復(fù)合工藝對碳納米管結(jié)構(gòu)、分散狀態(tài)、取向與排 列、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等的影響及其機(jī)制。 （ 3）研究碳納米管與基體間的界面結(jié)合規(guī)律及界面結(jié)構(gòu)?？疾旆稚⒑蛷?fù)合工藝 對碳納米管表面結(jié)構(gòu)的影響；研究復(fù)合過程中的界面反應(yīng)情況；研究界面耦合作 用產(chǎn)生的載荷傳遞、聲子傳熱等機(jī)制；發(fā)展碳納米管表面防護(hù)技術(shù)與界面結(jié)構(gòu)優(yōu) 化方法。 （ 4）考察碳納米管復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 性能關(guān)系與性能優(yōu)化方法。研究碳納米管復(fù) 合材料的強(qiáng)度、模量、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、熱膨脹行為、疲勞特性等與碳納米管結(jié)構(gòu)、 分布、添加量、界面等的關(guān)系；闡明碳納米管復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 性能關(guān)系，提出 其性能優(yōu)化方法。 （ 5）發(fā)展碳納米管復(fù)合材料的成型加工技術(shù)。研究塑性變形加工對復(fù)合材料中 碳納米管分布、排列、取向、結(jié)構(gòu)及界面特征的影響，探討通過塑性加工改善碳 納米管分散并對其取向、排列等進(jìn)行控制的可行性；探討采用攪拌摩擦加工方法 制備大尺寸零部件的可行性。 （ 6）探索碳納米管復(fù)合材料的規(guī)模應(yīng)用。研制基于碳納米管 /輕金屬復(fù)合材料的 飛行器成像系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)件及基于碳納米管 /橡膠復(fù)合材料的汽車輪胎，解決相 關(guān)材料批量制 備中的技術(shù)問題，推進(jìn)碳納米管的規(guī)?；瘧?yīng)用。 碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原理及其功能特性應(yīng)用 安全性和高功率特性是鋰離子動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車中應(yīng)用的核心問題。碳納 米管復(fù)合電極材料為發(fā)展高安全性、高功率、高能量密度鋰離子電池提供了新途 徑。利用有效分散和復(fù)合技術(shù)使高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱或鯡魚骨狀碳納米管在電極材料 顆粒間形成三維導(dǎo)電、導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)納米尺度上電子、聲子、離子的快速輸運(yùn)， 大幅改善電極材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和電熱傳導(dǎo)性能。同時(shí)，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可為 碳納米管透明導(dǎo)電薄膜的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化提供 依據(jù)和指導(dǎo)，進(jìn)而推動(dòng)其實(shí)際應(yīng) 用。 主要研究內(nèi)容： （ 1）考察碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)提高鋰離子動(dòng)力電池安全性及功率特性的機(jī)理。采 用實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算模擬相結(jié)合的方法，在微觀尺度上研究碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 中的聲子、電子和離子輸運(yùn)特性以及熱傳導(dǎo)、熱傳質(zhì)過程，考察電化學(xué)過程中形 成的固體電解質(zhì)中間相（ SEI）膜對傳熱傳質(zhì)等輸運(yùn)過程的影響，闡明高導(dǎo)電、 高導(dǎo)熱碳納米管提高電極材料功率特性及安全性的機(jī)理。 （ 2）采用機(jī)械融合方法制備碳納米管復(fù)合電極材料。發(fā)展碳納米管與電極材料 的機(jī)械融合方法，調(diào)控碳納米管 表面狀態(tài)及其與電極材料的相互作用；優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 參數(shù)實(shí)現(xiàn)碳納米管與不同電極材料的有效界面結(jié)合，制備高性能碳納米管復(fù)合電 極材料。 （ 3）發(fā)展高能量密度碳納米管復(fù)合電極材料。發(fā)展多級復(fù)合技術(shù)，將碳納米管 網(wǎng)絡(luò)與高容量負(fù)極（如 Si、 Sn、氧化物等）高效復(fù)合，再利用機(jī)械融合技術(shù)制 備出高比容量及長循環(huán)壽命的碳納米管復(fù)合負(fù)極材料。 （ 4）開發(fā)碳納米管復(fù)合電極材料在電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池中的應(yīng)用。研究 碳納米管復(fù)合電極材料中正負(fù)極匹配原則和電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，推進(jìn)碳納米管復(fù) 合電極材料在高功 率鋰離子動(dòng)力電池中的實(shí)際應(yīng)用。 （ 5）揭示碳納米管的導(dǎo)電屬性及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對透明導(dǎo)電薄膜性能的影響規(guī)律。研 究碳納米管的本征特性（能帶結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)、折射系數(shù)等）、分散度、網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)和搭接方式等與薄膜透明導(dǎo)電性的關(guān)系；獲得具有優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳納米管透 明導(dǎo)電薄膜，實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算模擬相結(jié)合揭示碳納米管薄膜的透明導(dǎo)電機(jī)理。 （ 6）考察大面積碳納米管透明導(dǎo)電薄膜的制備與應(yīng)用。發(fā)展單分散碳納米管的 再組裝成膜以及快速還原處理提高導(dǎo)電性的方法，研究碳納米管表面狀態(tài)與結(jié) 構(gòu)、在溶液中分散度和穩(wěn)定性等與自組裝成 膜的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)過程等的關(guān)系，揭 示其成膜機(jī)制與原理；制備大面積碳納米管柔性透明導(dǎo)電薄膜，并開發(fā)其在柔性 顯示器中的應(yīng)用。