【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，推動碳納米管在鋰離子動力電池及柔性光電器件中的實(shí)際應(yīng)用。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。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。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。

　　

【正文】 1 研究 碳納米管透明導(dǎo)電薄膜在柔性顯示器中的應(yīng)用。 1 準(zhǔn)備項目驗(yàn)收。 獲得優(yōu)化的可調(diào)控碳納米管結(jié)構(gòu)的外場輔助和摻雜生長方法。 建立碳納米管控制生長方法，闡明碳納米管結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電屬性調(diào)控原理。 獲得具有高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的碳納米管 , 產(chǎn)量達(dá) 10kg/h。 制備直徑 分別為 10nm、 30 nm和 80nm 級別 且 可控的鯡魚骨狀碳納米管，產(chǎn)量達(dá) 10kg/h。 獲得碳納米管的純度、結(jié)構(gòu)、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)量的綜合評價方法與標(biāo)準(zhǔn)。 研制出滿足設(shè)計需求的復(fù)合材料零件并取得試用結(jié)果報告 。 研制生產(chǎn)出小批量復(fù)合材料零件，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 。 確立碳納米管復(fù)合電極材料和透明導(dǎo)電薄膜的優(yōu)化制備方法 。 建成高功率復(fù)合電極材料的中試生產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)小批量工業(yè)應(yīng)用 。 1 獲得基于碳納米管透明導(dǎo)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，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、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)?；瘧?yīng)用研究提供材料保障 。 主要研究內(nèi)容： （ 1） 設(shè)計與合成 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)碳源的裂解動力學(xué)行為與催化劑失活動力學(xué)；研究利用 CO H2O 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 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；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 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)量的綜合評價方法與標(biāo)準(zhǔn)。 碳納米管 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能優(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)制及推動碳納米管的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。 本項目將發(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)?；瘧?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)模化應(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力電池在電動汽車中應(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)動力學(xué)和電熱傳導(dǎo)性能。 同時，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 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)合電極材料在電動汽車用鋰離子動力電池中的應(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 ，推進(jìn)碳納米管復(fù)合電極材料在高功率鋰離子動力電池中的實(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。