【導讀】納米管的可控生長原理，實現(xiàn)單壁碳納米管的導電屬性與手性的有效控制。術(shù)和裝置，實現(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)?；瘧锰峁┎牧媳Ｕ稀５裙δ芴匦?，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用。建設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”導向生長等直接制備導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)。管純度達到99%；金屬性碳納米管的純度達到90%。骨狀及高導電、高導熱等特定結(jié)構(gòu)的碳納米管的產(chǎn)量大于10kg/小時。量提高40％的輪胎耐久性實驗。研制出高性能碳納米管復合飛行器成像系統(tǒng)支。專利的推廣和實施。造就中青年學術(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，重點針對碳納米管學科發(fā)展的關(guān)鍵。本項目的順利完成將增強我國在。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)的機制。

　　

【正文】 1 研究 碳納米管透明導電薄膜在柔性顯示器中的應用。 1 準備項目驗收。 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)和導電屬性調(diào)控原理。 獲得具有高導電、導熱性能的碳納米管 , 產(chǎn)量達 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 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 (包括不同導電屬性的單壁碳 納米管 )質(zhì)量的綜合評價方法與標準。 研制出滿足設計需求的復合材料零件并取得試用結(jié)果報告 。 研制生產(chǎn)出小批量復合材料零件，達到課題目標并能滿足實際應用需求，形成應用示范 。 確立碳納米管復合電極材料和透明導電薄膜的優(yōu)化制備方法 。 建成高功率復合電極材料的中試生產(chǎn)線并實現(xiàn)小批量工業(yè)應用 。 1 獲得基于碳納米管透明導電膜的電子紙等柔性顯示器， 推進其實際應用。 一、研究內(nèi)容 本項目擬解決的關(guān)鍵科學和技術(shù)問題包括： 單壁碳納米管的導電屬性及手性控制方法與原理； 面向特定應用的 碳納米管的 低成本、宏量及可控 制備科學 與技術(shù)； 碳納米管 復合材料的結(jié)構(gòu)設計及性能優(yōu)化方法與原理； 碳納米管 三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的構(gòu)建原理及其功能特性應用方法 。 單壁碳納米管的導電屬性及手性控制方法 與原理 單壁碳納米管的導電屬性及手性控制 是當前碳納米管研究中的一個核心問題。一方面，在原子尺度實現(xiàn)碳納米管結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控對碳納米管生長機制的理解具有重要意義；另一方面，獲得單一導電屬性及手性的碳納米管可極大促進碳納米管在電子、光電器件中的實際應用。本項目提出采用施加外場、催化劑調(diào)控、碳“端帽”導向生長、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制。 主要研究內(nèi)容： （ 1） 外場誘導法直接生長金屬性或半導體性單壁碳納米管 。利用金屬性和半導體性碳納米管結(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，進行單一導電屬性碳納米管的選擇性生長；探索導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制。制備尺寸均勻、化學組成和結(jié)構(gòu)可控的金屬和非金屬催化劑 納米 粒子， 探索其生長導電屬性和手性可控碳納米管的可行性及相關(guān)機制。 （ 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、動力學特征，揭示其生長機制；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 與生長機理 。 （ 5）開展 基于 電 動色譜 原理的 不同 導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) 的設計，調(diào)制多孔分離介質(zhì)在電場存在下對 不同手性 和導電屬性 碳納米管選擇性 的 識別 能力，實現(xiàn) 不同導電屬性 單壁碳納米管 的宏量 分離 ，并 建立 碳納米管導電屬性宏量分離 純度 的 快速、可靠的 評價方法 。 面向特定應用的 碳納米管的 低成本、宏量及可控 制備科學 與技術(shù) 結(jié)構(gòu)可控 碳納米管 的 宏 量 、低成本制備 是 實現(xiàn) 碳納米管 規(guī)模化應用的 重要 前提和 基礎 。 在碳納米管 結(jié)構(gòu)調(diào)控研究的基礎上， 突破超高活性催化劑設計、大尺度反應器構(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醚芯刻峁┎牧媳Ｕ?。 主要研究內(nèi)容： （ 1） 設計與合成 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性；研究最優(yōu)碳源的裂解動力學行為與催化劑失活動力學；研究利用 CO H2O 等弱 氧化劑原位去除無定形炭，促進催化劑原位再生的方法；采用 C13 同位素標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 反應器中氣固流體力學對 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，實現(xiàn)超直碳納米管的批量制備。 （ 5） 研究高導電、高導熱及 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 的高導電、高導熱及 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準。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準。 碳納米管 復合材料的結(jié)構(gòu)設計及性能優(yōu)化方法與原理 研究碳納米管復合材料的結(jié)構(gòu)設計及性能優(yōu)化方法對提高復合材料的綜合性能、闡釋碳納 米管的強化機制及推動碳納米管的實際應用具有重要意義。 本項目將發(fā)展 碳納米管 /橡膠和碳納米管 /輕金屬 復合材料的制備技術(shù)， 研究 復合材料界面結(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 對復合材料性能的影響，闡釋碳納米管的結(jié)構(gòu)和功能增強機理 ，力爭實現(xiàn)碳納米管復合材料的規(guī)?；瘧?。 主要研究內(nèi)容： （ 1）提出 可逆表面官能化方法 實現(xiàn) 碳納米管 的 單分散。利用碳納米管表面 可 官能化 、且 一些官能團可通過后處理去除 恢復碳納米管結(jié)構(gòu)完整性 的特點， 調(diào)控碳納米管的表面 官能團結(jié)構(gòu) 及其與分散介質(zhì)的相互作用，實現(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)絡結(jié)構(gòu) 等的 影響 及其機制。 （ 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蛷秃瞎に噷μ技{米管表面結(jié)構(gòu)的影響；研究復合過程中的界面反應情況；研究 界面 耦合作用產(chǎn)生的載荷傳遞、 聲子傳熱 等機制；發(fā)展碳納米管表面防護技術(shù)與界 面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。 （ 4）考察碳納米管復合材料的結(jié)構(gòu) 性能關(guān)系與性能優(yōu)化方法。研究碳納米管復合材料的強度、模量、導電導熱性能、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 復合材料的 成型 加工 技術(shù)。 研究塑性變形加工對 復合材 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）探索碳納米管復合材 料的規(guī)模應用。研制基于碳納米管 /輕金屬復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，推進碳納米管的規(guī)?；瘧?。 碳納米管 三維 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 的構(gòu)建原理及其功能特性應用 安全性和高功率特性是鋰離子動力電池在電動汽車中應用的核心問題 。 碳納米管復合電極材料為發(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 有效分散和復合技術(shù)使高導電、高導熱或鯡魚骨狀碳納米管在電極材料顆粒間形成三維導電、導熱網(wǎng)絡，實現(xiàn)納米尺度上電子、聲子、離子的快速輸運，大幅改 善電極材料的反應動力學和電熱傳導性能。 同時，三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計 可為碳納米管 透明導電薄膜的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化提供 依據(jù)和 指導， 進而 推動 其實際應用 。 主要研究內(nèi)容： （ 1）考察 碳納米管 三維網(wǎng)絡 提高鋰離子動力電池安全 性 及功率特性的機理。采用實驗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)絡結(jié)構(gòu)中 的 聲子、 電子和離子輸運特性 以及熱傳導、熱傳質(zhì)過程，考察電化學過程中形成的 固體電解質(zhì)中間相（ SEI） 膜對傳熱傳質(zhì)等輸運過程的影響， 闡明高導電、高導熱碳納米管提高電極材料功率特性及安全性的機理。 （ 2）采用機械融合方法制 備碳納米管復合電極材料。 發(fā)展 碳納米管 與電極材料的機械融合方法， 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 實驗參數(shù)實現(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合電極材料。 （ 3）發(fā)展高能量密度碳納米管復合電極材料。 發(fā)展 多級復合技術(shù)，將碳納米管網(wǎng)絡與高容量負極（如 Si、 Sn、氧化物等）高效復合，再利用 機械融合 技術(shù) 制備出 高 比 容量 及 長循環(huán)壽命的 碳納米管復合負極材料。 （ 4）開發(fā)碳納米管復合電極材料在電動汽車用鋰離子動力電池中的應用。研究碳納米管復合電極材料中正 負極匹配原則和電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計 ，推進碳納米管復合電極材料在高功率鋰離子動力電池中的實際應用。 （ 5）揭示 碳納米管的導電屬性及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)對透明導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)絡結(jié)構(gòu)和搭接方式 等 與薄膜透明導電性的關(guān)系； 獲得具有優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的碳納米管透明導電薄膜， 實驗研究和計算模擬相結(jié)合 揭示碳 納米 管薄膜的透明導電機理。 （ 6）考察大面積碳納米管透明導電薄膜的制備與應用。 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 過程等的關(guān)系， 揭示 其成膜機制 與原理；制備 大面積 碳納米管 柔性 透明導電 薄膜 ，并開發(fā)其在柔性顯示器中的應用。