973項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目申請書_ 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

1、 項(xiàng)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(huì)明 中國科學(xué)院金屬研究所起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部門： 中國科學(xué)院二、預(yù)期目標(biāo)1、項(xiàng)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(shí)現(xiàn)單壁碳納米管的導(dǎo)電屬性與手性的有效控制。（2）發(fā)展針對應(yīng)用的特定結(jié)構(gòu)碳納米管的高純度、低成本、批量化可控制備技術(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)?；瘧?yīng)用提供材料保障。（3）提出碳納米管復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，建立低成本、高性能碳納米管復(fù)合材料的宏量

2、制備技術(shù)，推進(jìn)碳納米管復(fù)合材料在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。（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(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。（5）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。2、五年預(yù)期目標(biāo)：（1）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，揭示碳納米管的導(dǎo)電屬性及手性控制制備原理；發(fā)展宏量、低成本分離不同導(dǎo)電屬性碳納米管的電動(dòng)色譜技術(shù)。獲得單一導(dǎo)電屬性的碳納米管：半導(dǎo)體性碳納米管純度達(dá)到 99%；金屬性碳納米管的純度達(dá)到 90%。（2）面向應(yīng)用，發(fā)展高純度、結(jié)構(gòu)可控碳納米

3、管的低成本、規(guī)?；苽浼夹g(shù)和設(shè)備；純度高于 99.7%碳納米管的年產(chǎn)能達(dá)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(shí)。（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。制備的碳納米管/輕金屬復(fù)合材料的力學(xué)、熱物理、摩擦磨損等性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有復(fù)合材料；制備出用于輪胎胎肩膠的高強(qiáng)度、高耐熱、高導(dǎo)熱的碳納米管/橡膠復(fù)合材料，通過比標(biāo)準(zhǔn)載重量提高 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)支撐結(jié)構(gòu)件及汽車輪胎，并推動(dòng)其規(guī)?；瘧?yīng)用。（4）發(fā)展用于鋰離子動(dòng)力電池的高

4、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(dòng)力電池（單體電池比功率大于 2000 W/kg，大倍率放電性能 10C/1C >95%，通過 3C/10V 過充電和 150°C 熱箱安全性測試），并推動(dòng)其在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用。（5）揭示碳納米管的單分散與再組裝成膜規(guī)律，研制出透明（80% at 550 nm）、導(dǎo)電（R10200）、柔韌（彎折 1 萬次，電阻不發(fā)生變化）的碳納米管透明導(dǎo)電薄膜，推動(dòng)其在柔性顯示器中的應(yīng)用。（6）在國際知名科技期刊發(fā)表論文 180 篇以上（影響因子大于 3.0 的達(dá)到 60%），特別是發(fā)表一系列高影響力、引領(lǐng)性的論文；申請發(fā)明專利 2

5、0 項(xiàng)以上，并重視專利的推廣和實(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的科學(xué)家 2-3 名；培養(yǎng)研究生 50 名以上。三、研究方案（一）學(xué)術(shù)思路與技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用并為社會(huì)創(chuàng)造財(cái)富和價(jià)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(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要前提條件。而且從學(xué)科發(fā)展來看，可控制備和應(yīng)用研究也是當(dāng)前碳納米管研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此本項(xiàng)目提出控制制備導(dǎo)電屬性和手性均一的碳納米管，發(fā)展高純度、結(jié)構(gòu)可控碳納米管的低成本、大批量制備技術(shù)，進(jìn)而研究開發(fā)碳納米管/橡膠、碳納米管/輕金屬、鋰離子動(dòng)力電池用碳納米管復(fù)合電極材料及碳納米管透明導(dǎo)電薄膜，

6、推動(dòng)其在飛行器成像系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)件、汽車輪胎、鋰離子動(dòng)力電池及柔性光電器件中的應(yīng)用。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)鍵科學(xué)問題，立足突破限制碳納米管實(shí)用化的瓶頸技術(shù)，大力推動(dòng)碳納米管在航空航天、交通運(yùn)輸、清潔能源等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。本項(xiàng)目的順利完成將增強(qiáng)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(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展?；谏鲜鰧W(xué)術(shù)思路和研究目標(biāo)，提出相應(yīng)的技術(shù)途徑如下：1、碳納米管的導(dǎo)電屬性及手性控制（1）采用 CVD 法和電弧放電法制備單壁碳納米管，在制備過程中原位施加電場、磁場、光輻照及調(diào)控反應(yīng)氣氛和壓力等，考察其對生成單壁碳納米管的導(dǎo)電屬性及手性的影響

7、。（2）與傳統(tǒng)催化生長單壁碳納米管的方法不同，提出利用碳納米結(jié)構(gòu)作為控制生長碳納米管的“種籽”，如采用切短的單壁碳納米管、開口的C 60和通過有機(jī)合成獲得的“碳碗”結(jié)構(gòu)等作為“端帽”，采用CVD方法生長單壁碳納米管?？疾旄鞣N碳納米結(jié)構(gòu)和制備條件對單壁碳納米管生長的影響，并研究其結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制。（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(yùn)特性。（4）采用離子濺射、旋涂等方法在基片表面沉積SiO x、SiC、B、C等非金屬薄膜，并以此為催化劑生長單壁碳納米管；表征催

8、化劑的微觀結(jié)構(gòu)及其與碳納米管的結(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。（5）利用 STM-TEM 透射電鏡樣品臺(tái)在填充催化劑顆粒的碳納米管兩端施加電壓產(chǎn)生焦耳熱，在透射電鏡下原位觀察碳納米管的催化生長過程，研究其生長機(jī)理。設(shè)計(jì)與激光拉曼光譜聯(lián)用的微型 CVD 系統(tǒng)，利用拉曼光譜原位研究不同類型碳納米管的生長過程。采用計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究單壁碳納米管的生長動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)，提出碳納米管的可控生長機(jī)制，為納米碳材料的控制制備提供理論指導(dǎo)。（6）發(fā)展電泳與色譜分離相結(jié)合的碳納米管宏量分離技術(shù)，通過分散劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多孔分離介質(zhì)如瓊脂糖凝膠結(jié)構(gòu)的改性，調(diào)制分離介質(zhì)與不同導(dǎo)電屬性碳

9、納米管相互作用的特異性，在電場作用下，實(shí)現(xiàn)碳納米管的高效、低成本的宏量分離。2、面向特定應(yīng)用的碳納米管的批量、低成本可控制備（1）發(fā)展有序結(jié)構(gòu)為催化劑載體的定向生長高純度、超長碳納米管的制備技術(shù)。以蛭石、水滑石、棒狀纖維及球形顆粒等有序結(jié)構(gòu)為載體擔(dān)載金屬催化劑，使碳納米管可有序定向生長或折疊成受力小、傳遞阻力低的狀態(tài)，抑制催化劑失活；利用高分辨透射電鏡與化學(xué)吸附相結(jié)合的手段研究在不同溫度下金屬催化劑分散度的表征與調(diào)控方法。（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 2、H 2O等弱氧化

10、劑原位去除無定形炭，提高碳納米管純度及促進(jìn)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。（3）針對定向高純度碳納米管聚集體所具有的低密度、高體積膨脹比及低反應(yīng)器利用率等工程問題，提出多級逆流變直徑流化床等新型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)思想，利用氣體示蹤與顆粒示蹤等方法研究不同金屬催化劑顆粒及碳納米管在大尺度多級逆流變徑流化床反應(yīng)器中的氣固流體力學(xué)；優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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)均一的方法。（4）利用在線氣相快速分析、在線拉曼光譜分析等方法研究不同尺寸的多級逆流變徑流化床內(nèi)超高純度碳納米管制備的放大效應(yīng)；建立碳源

11、轉(zhuǎn)化效率、碳納米管純度的在線檢測及優(yōu)化方法；利用在線拉曼光譜響應(yīng)碳納米管陣列中應(yīng)力的方法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）高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性及鯡魚骨狀碳納米管的制備。對制備得到的高純度碳納米管進(jìn)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。調(diào)控催化劑種類、反應(yīng)氣氛等工藝條件，實(shí)現(xiàn)批量制備直徑可控的鯡魚骨狀碳納米管。（6）利用掃描、透射、高分辨電鏡、拉曼光譜、熒光光譜、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)、相對含量及有序度等信息，建立宏量碳納米管質(zhì)量的綜合評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)。3、碳納米管復(fù)合材料的

12、結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能優(yōu)化（1）設(shè)計(jì)可逆的氧化還原反應(yīng)，采用酸處理等方法對碳納米管表面進(jìn)行微弱氧化，賦予碳納米管表面一定的官能團(tuán)，經(jīng)超聲、機(jī)械攪拌和離心分離等方法獲得碳納米管分散液，并利用 Zeta 電位儀、粒度分析儀、透射電鏡、吸收光譜等對其進(jìn)行表征；研究分散條件對碳納米管在溶液中分散狀態(tài)與穩(wěn)定性的影響；獲得碳納米管單分散的優(yōu)化條件。（2）采用乳液共混共沉方法實(shí)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(shí)現(xiàn)對碳納米管表面有機(jī)官能化程度的調(diào)控，以獲得良好的界面強(qiáng)化，同時(shí)盡量保持碳納米管表面結(jié)構(gòu)完整。采用電子顯微術(shù)及橡膠加工分析儀測試復(fù)合材料的非線性黏彈性等方法表征碳納米管在橡膠復(fù)合材料中的

13、分散情況、界面結(jié)合狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等，研究它們與制備方法和工藝條件的關(guān)系規(guī)律。（3）采用乳液共混技術(shù)制備金屬復(fù)合材料預(yù)制體；表征預(yù)制體中的碳納米管表面結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分；通過控制介質(zhì)成分與混合工藝對碳納米管表面進(jìn)行防護(hù)。使用粉末冶金方法制備金屬復(fù)合材料坯體；采用攪拌摩擦加工與鍛壓等塑性變形技術(shù)加工坯體；通過電子顯微分析等方法表征復(fù)合材料中的碳納米管的結(jié)構(gòu)、分布與界面結(jié)構(gòu)；通過攪拌摩擦加工與其它變形加工手段建立碳納米管三維分布結(jié)構(gòu)。（4）采用低場強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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

14、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(dòng)態(tài)生熱及耐動(dòng)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。（5）設(shè)計(jì)、制備不同結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)碳納米管/輕金屬基復(fù)合材料，研究其強(qiáng)度、模量、硬度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、微蠕變及熱膨脹性能等，揭示碳納米管結(jié)構(gòu)對金屬基復(fù)合材料微觀組織和性能的影響規(guī)律。（6）建立復(fù)合材料的性能與其微觀結(jié)構(gòu)、碳納米管結(jié)構(gòu)特征、碳納米管排列、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及碳納米管與基體材料交互作用的關(guān)系；計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合考察復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。（7）優(yōu)化碳納米管復(fù)合材料的制備與加工工藝，制備基于碳納米管復(fù)合材料的高性能飛行器成像系統(tǒng)

15、支撐結(jié)構(gòu)件、汽車輪胎樣件等，并推進(jìn)其應(yīng)用。4、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)。采用漿態(tài)混合實(shí)現(xiàn)碳納米管在溶液中的均勻分散；采用機(jī)械融合方法將碳納米管與磷酸鐵鋰、人造石墨等電極材料均勻復(fù)合，并在復(fù)合電極材料中構(gòu)建碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2）發(fā)展碳納米管復(fù)合高容量電極材料的制備技術(shù)。采用多級復(fù)合技術(shù)，將碳納米管與高容量電極材料復(fù)合，制備微米級高容量復(fù)合電極材料；采用機(jī)械融合方法使高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱碳納米管在高容量復(fù)合電極材料中構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，全面提高電極材料的容量、功率特性及循環(huán)壽命。（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

16、運(yùn)特性。利用 TEM-STM 聯(lián)用裝置、FIB 和交流阻抗譜儀等設(shè)備，在微米尺度研究碳納米管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的界面效應(yīng)、納米尺寸效應(yīng)、熱傳導(dǎo)和熱傳質(zhì)過程，考察電化學(xué)過程中SEI 膜的形成以及對傳熱等輸運(yùn)過程和復(fù)合電極材料性能的影響；采用循環(huán)伏安法考察碳納米管復(fù)合電極材料中的鋰離子嵌入和脫出過程以及循環(huán)特性。（4）研究不同結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)的碳納米管對復(fù)合電極材料物理和電化學(xué)性能的影響。采用電化學(xué)、循環(huán)伏安、拉曼光譜、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等測試方法，闡明碳納米管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、加入量、搭接狀態(tài)、網(wǎng)格密度等對復(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。（5）研究碳納米管復(fù)合電極材料在鋰離子動(dòng)力電池中的應(yīng)用技術(shù)，包括正負(fù)

17、極匹配性和電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(dòng)力電池在快速充放電時(shí)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(dòng)力電池安全性的機(jī)制。實(shí)現(xiàn)碳納米管復(fù)合電極材料在高功率鋰離子動(dòng)力電池中的應(yīng)用。（6）使用不同結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電屬性的碳納米管，采用超聲噴涂、電泳沉積熱壓轉(zhuǎn)移聯(lián)用等方法，調(diào)整碳納米管單分散液濃度以及成膜工藝過程參數(shù)，調(diào)整分散液和基材的表面張力，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)充分鋪展，提高碳納米管與聚酯等柔性基體的附著力，制備均勻、厚度可控的碳納米管透明導(dǎo)電薄膜。（7）采用氫鹵酸處理等化學(xué)或物理方法對碳納米管薄膜進(jìn)行還原，恢復(fù)碳納米管的結(jié)構(gòu)完

18、整性，降低碳納米管間的接觸電阻，獲得高性能碳納米管透明導(dǎo)電薄膜。研制基于碳納米管透明導(dǎo)電薄膜的柔性顯示器，推進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用。（二）創(chuàng)新點(diǎn)1、提出碳“端帽”導(dǎo)向生長方法，控制制備導(dǎo)電屬性和手性均一的單壁碳納米管；提出碳納米管導(dǎo)電屬性的電泳色譜宏量分離方法。2、提出多級逆流變徑流化床及有序結(jié)構(gòu)定向催化生長技術(shù)，規(guī)模制備超高純度碳納米管及其陣列。3、提出碳納米管的可逆表面官能化方法，發(fā)展碳納米管的高效單分散技術(shù)。4、提出機(jī)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(jì)思想，大幅提高鋰離子動(dòng)力電池的安全性、功率特性和能量密度。5、研制出碳納米管增強(qiáng)橡膠和金屬基復(fù)合材料，用于長壽命、高安全性輪胎和

19、耐空天環(huán)境光機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件。（三）可行性分析1、碳納米管的導(dǎo)電屬性及手性控制金屬性及半導(dǎo)體性單壁碳納米管在生長過程中對電場、磁場、光輻照、氣氛、催化劑等會(huì)有不同的響應(yīng)特性，如氧化氣氛及紫外光輻照將優(yōu)先刻蝕金屬性碳納米管，而電磁場對金屬性碳納米管的作用相對更強(qiáng)。因此通過原位物理/化學(xué)調(diào)控可望實(shí)現(xiàn)不同導(dǎo)電屬性單壁碳納米管的選擇性生長或分離。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。因此本項(xiàng)目提出通過外場誘導(dǎo)來控制半導(dǎo)體性或金屬屬性的單壁碳納米管的生長，并以富勒烯分子、短切開口的碳納米管片段及有機(jī)合成的“碳碗”結(jié)構(gòu)等特殊設(shè)計(jì)的端帽結(jié)構(gòu)作為催化劑生長碳納米管，通過對端帽結(jié)構(gòu)的調(diào)控實(shí)

20、現(xiàn)控制單壁碳納米管手性的目的。利用該思路，本項(xiàng)目組已取得了一些有意義的初步結(jié)果，如通過紫外光照或引入微氧化環(huán)境實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體性單壁碳納米管的選擇性生長、在單壁碳納米管上克隆生長出同一手性的碳納米管等，為本工作的深入開展指引了方向。碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)與催化劑（組分、尺度、晶形及表面狀態(tài)）等密切相關(guān)，因此深入研究催化劑的特征、制備和后處理方法，調(diào)控催化劑的組分、結(jié)構(gòu)和均一性，將有助于對碳納米管生長機(jī)理的認(rèn)識，并可望實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管的導(dǎo)電屬性和手性可控制備。本項(xiàng)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。比較研究金屬和非金屬催化劑的催化特性并探索其催化機(jī)制將有助于單壁碳

21、納米管的導(dǎo)電屬性和手性控制制備研究。原位觀察、監(jiān)控碳納米管的生長過程是探索其生長機(jī)理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可控生長的有效手段，因此本項(xiàng)目提出在透射電鏡和激光拉曼光譜儀下原位研究碳納米管的生長機(jī)制。首先在陽極氧化鋁模板法制備的結(jié)晶度較差的碳納米管內(nèi)腔填充納米催化劑/催化劑前驅(qū)體顆粒，利用 STM-TEM 樣品臺(tái)在單根碳納米管中通過較大電流（微安級），使局部溫度達(dá)到 2000以上。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(jìn)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。拉曼光譜是一種無損檢測碳納米管結(jié)構(gòu)的有效手段，研制微型化學(xué)氣相沉積設(shè)備并將其移至拉

22、曼光譜的顯微鏡下生長碳納米管，則在碳納米管的生長過程中可原位監(jiān)控其結(jié)構(gòu)演化過程。通過變換激光波長等方式可消除高溫黑體輻射和拉曼光譜分辨率等造成的影響。采用以上新思路、新方法對碳納米管結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，結(jié)合原位生長和計(jì)算模擬研究，可望在碳納米管的導(dǎo)電屬性控制和生長機(jī)理研究方面取得突破。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。由于金屬性和半導(dǎo)體性碳納米管表面電荷密度不同，一些分散劑分子會(huì)在兩類碳納米管表面呈現(xiàn)出不同的吸附性質(zhì)或明顯不同的聚集狀態(tài)，這種差異的存在是濕法分離技的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目組已研究了分散劑分子種類對碳納米管表面性質(zhì)和單分散行為的影響，發(fā)現(xiàn)十二烷基磺酸鈉與瓊脂糖凝膠的協(xié)同作

23、用可以電泳或離心方法實(shí)現(xiàn)金屬性和半導(dǎo)體性碳納米管的有效分離。特別是研究發(fā)現(xiàn)瓊脂糖凝膠與半導(dǎo)體碳納米管間具有特異性相互作用?；谇捌诠ぷ骰A(chǔ)，通過對分散劑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)碳納米管的導(dǎo)電屬性或手性分離。此外，由于電泳可以使荷電物種根據(jù)荷質(zhì)比大小形成梯度分離，多孔分離介質(zhì)的使用將有利于提高分離純化的效率。因此采用電動(dòng)色譜分離技術(shù),即電泳與多孔分離介質(zhì)的聯(lián)用將有望實(shí)現(xiàn)碳納米管導(dǎo)電屬性低成本、高純度的宏量分離。2、碳納米管的低成本、批量可控制備本項(xiàng)目提出的有序結(jié)構(gòu)

24、催化劑定向催化生長碳納米管，主要是為了控制金屬催化劑的高分散度、少用量及高活性，從而實(shí)現(xiàn)高純度碳納米管的高效生長。在前期工作中初步研究了利用天然無機(jī)層狀化合物進(jìn)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(shí)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。若采用人工合成的方法得到結(jié)構(gòu)可控的水滑石化合物，以此作為催化劑載體可大幅度提高金屬的分散度，降低金屬用量。而且由于納米層間的限域作用，可有效避免金屬催化劑在高溫中的燒結(jié)，顯著降低碳包金屬相的雜質(zhì)含量，從而為超高純度碳納米管的生長提供催化劑基礎(chǔ)。此外，H 2O、CO 2等弱氧化介質(zhì)可原位去除無定形炭，延長催化劑壽命，提高納米管的

25、生長效率及純度。因此，本項(xiàng)目從刻蝕無定形炭及抑制碳包覆金屬催化劑兩個(gè)方面采取措施，保證高純度碳納米管的高效制備。為了實(shí)現(xiàn)碳納米管的規(guī)模制備，本項(xiàng)目還首次提出了多級逆流變徑流化床技術(shù)。針對高純度碳納米管生產(chǎn)過程中反應(yīng)器內(nèi)碳納米管的體積變化（在兩個(gè)數(shù)量級以上）以及催化劑活性的變化，為了保證流化床反應(yīng)器中碳納米管的質(zhì)量及原料的利用率，提出了氣固逆流變徑的操作方式，與目前的氣固并流上行的湍動(dòng)流化床技術(shù)及氣固并流下行流化床技術(shù)相比，具有更高的氣固接觸與轉(zhuǎn)化效率，可分段控制氣體轉(zhuǎn)化率或固體產(chǎn)品純度，這對于大批量低成本制備超高純度碳納米管非常關(guān)鍵。多級逆流流化床已被本項(xiàng)目組用于聚氯乙烯顆粒干燥（5-10 萬

26、噸/年）、煉油過程的汽提裝置（100 萬噸/年）及甲醇制丙烯過程中，工藝和設(shè)備較為成熟。本項(xiàng)目組已研究了碳納米管在流化床中的流動(dòng)行為及聚團(tuán)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(diǎn)。結(jié)合在線拉曼光譜分析、在線氣體分析等手段，可實(shí)現(xiàn)多級逆流變徑流化床反應(yīng)器中碳源高轉(zhuǎn)化效率、碳納米管高純度及催化劑高活性的兼顧與優(yōu)化，有助于實(shí)現(xiàn)碳納米管的低成本、大批量、高純度制備。此外，本項(xiàng)目組承擔(dān)制定了碳納米管的純度測量國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 24490-2009）與直徑測量國家標(biāo)準(zhǔn)，這為本項(xiàng)目高純度、超直碳納米管的綜合評價(jià)方法的建立提供了基礎(chǔ)。3、碳納米管復(fù)合材料的制備技術(shù)與性能優(yōu)化本

27、項(xiàng)目提出將碳納米管增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料應(yīng)用于汽車輪胎胎肩橡膠，以提高輪胎的安全性和耐久性。理想的輪胎胎肩橡膠應(yīng)具有高強(qiáng)度、耐高溫和導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，而國內(nèi)外研究和本項(xiàng)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Α?fù)合材料中增強(qiáng)相的分散程度及其與基體的結(jié)合情況在很大程度上決定了復(fù)合材料的性能。本項(xiàng)目提出采用納米水相分散、乳液共混、等離子接枝等技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳納米管在基體中的良好分散并避免其結(jié)構(gòu)損傷，其中納米水相分散和乳液共混技術(shù)已實(shí)現(xiàn)萬噸級納米增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)，被證明是一種低成本、規(guī)模化制備高性能橡膠納米復(fù)合材料的方法。低溫冷等離子體技術(shù)處理填料具有作用力強(qiáng)、穿透力小、效率

28、高、無污染、反應(yīng)程度容易控制等特點(diǎn)，而且無溶劑參與，對材料本體性質(zhì)沒有影響。采用該技術(shù)將在界面強(qiáng)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。本項(xiàng)目組在橡膠納米復(fù)合材料制備、納米增強(qiáng)機(jī)制和結(jié)構(gòu)性能關(guān)系上開展了長期研究工作，在橡膠納米復(fù)合材料的規(guī)模化應(yīng)用上有豐富的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)，與國內(nèi)大型輪胎企業(yè)（如風(fēng)神、三角、玲瓏）有良好的長期合作關(guān)系，這些均為本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)碳納米管增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料在輪胎中的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目在傳統(tǒng)金屬基和聚合物復(fù)合材料制備技術(shù)基礎(chǔ)上，提出采用乳液共混、水相分散等方法制備碳納米管與金屬粉末的預(yù)混合體，進(jìn)而利用真空熱壓等粉末冶金技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料坯錠，并結(jié)合

29、新型攪拌摩擦加工技術(shù)使復(fù)合材料進(jìn)一步致密化、均勻化。水相分散與乳液混合是制備金屬基復(fù)合材料與金屬陶瓷預(yù)制體等的常用方法，可以實(shí)現(xiàn)密度、尺寸等特征差異較大的原料粉末之間的均勻混合。選擇適當(dāng)介質(zhì)還可對碳納米管進(jìn)行表面改性，有利于實(shí)現(xiàn)金屬粉末與碳納米管的均勻混合。真空熱壓技術(shù)是最為成熟的金屬基復(fù)合材料粉末致密化技術(shù)。攪拌摩擦加工技術(shù)可在較寬泛的工藝參數(shù)下對金屬材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行較準(zhǔn)確的控制，避免增強(qiáng)相與基體產(chǎn)生過度界面反應(yīng)，并能同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的致密化、均勻化以及微觀結(jié)構(gòu)(如晶粒等)細(xì)化，而且能實(shí)現(xiàn)大尺寸、厚截面工件加工，彌補(bǔ)真空熱壓時(shí)不能完全致密化的微孔洞。金屬基復(fù)合材料的變形加工則是一種成熟的復(fù)合

30、材料成型技術(shù)，在陶瓷顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中獲得成功應(yīng)用。相比傳統(tǒng)顆粒或晶須增強(qiáng)金屬復(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。國內(nèi)外已有一些成功進(jìn)行碳納米管金屬復(fù)合材料擠壓加工的研究報(bào)道。而項(xiàng)目組在金屬基復(fù)合材料塑性加工方面具有堅(jiān)實(shí)的工作基礎(chǔ)，已通過鍛壓、軋制、擠壓等工藝制備了大尺寸金屬基復(fù)合材料板材、鍛件以及復(fù)雜形狀異型件，為航空航天等領(lǐng)域提供了相關(guān)的大型樣件并獲得認(rèn)可。4、碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及其功能特性應(yīng)用利用碳納米管優(yōu)良的導(dǎo)電及導(dǎo)熱特性，可有效提高鋰離子動(dòng)力電池的安全性及高功率特性。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

31、產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳導(dǎo)到周圍空間，有效降低電芯溫升，并改善動(dòng)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。碳納米管的高導(dǎo)電性還可有效降低電極材料顆粒間的極化，提高動(dòng)力電池的高功率放電特性。同時(shí)由于碳納米管具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，在高容量負(fù)極材料中形成三維柔性網(wǎng)絡(luò)可有效抑制其體積效應(yīng)，從而能夠在保持高容量的同時(shí)改善其循環(huán)性能。因此，碳納米管復(fù)合電極材料的設(shè)計(jì)思路可行。本項(xiàng)目提出采用機(jī)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(jī)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。影響碳納米管

32、薄膜透明導(dǎo)電性的關(guān)鍵因素包括碳納米管本身的光電特性、碳納米管間的接觸電阻及二維輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。本項(xiàng)目中碳納米管導(dǎo)電屬性可控制備及分離研究組可提供導(dǎo)電屬性單一的碳納米管，而碳納米管的單分散技術(shù)為充分發(fā)揮碳納米管優(yōu)異性能構(gòu)建有效網(wǎng)絡(luò)提供了重要保障。本項(xiàng)目提出的采用酸氧化和氫鹵酸還原的方法，可獲得高度分散的單壁碳納米管。即對碳納米管表面進(jìn)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(tuán)，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(tuán)可恢復(fù)碳納米管的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。因此碳納米管的可逆表面官能化是實(shí)現(xiàn)碳納米管單分散并保持其優(yōu)異物性的有效方法。在此基礎(chǔ)上優(yōu)選特定結(jié)構(gòu)和性能的碳納米管，構(gòu)

33、建具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜，再經(jīng)還原處理提高其導(dǎo)電性，可望同時(shí)獲得高導(dǎo)電性和高透明性。柔韌性決定了碳納米管薄膜能否在柔性器件中獲得應(yīng)用。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。擬通過調(diào)整分散液和基材的表面張力，在充分潤濕的情況下使碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)充分鋪展，來提高碳納米管與基體的附著力；同時(shí)還可通過熱壓、添加粘結(jié)劑、微波加熱等方法來改善粘附性。本項(xiàng)目組最近采用熱壓方法制備的與柔性基體結(jié)合的碳納米管薄膜，經(jīng)過 10000次的反復(fù)彎折實(shí)驗(yàn)后，薄膜的表面電阻幾乎沒有變化。因此通過改善碳納米管與基體的粘附力提高薄膜柔韌性的路線是可行的。（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

34、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)?；瘧?yīng)用，本項(xiàng)目設(shè)置以下四個(gè)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)模化應(yīng)用研究；課題四，碳納米管在鋰離子動(dòng)力電池及柔性光電器件中的應(yīng)用研究。本項(xiàng)目集中了國內(nèi)碳納米管研究領(lǐng)域的主要優(yōu)勢團(tuán)隊(duì)，結(jié)合各自研究基礎(chǔ)和優(yōu)勢，既有明確課題分工，又相互合作與聯(lián)系，以保證本項(xiàng)目的順利實(shí)施，并力爭突破碳納米管研究中可控制備和實(shí)際應(yīng)用這兩個(gè)瓶頸問題。本項(xiàng)目所設(shè)四個(gè)課題之間既相互獨(dú)立又有機(jī)關(guān)聯(lián)：課題一

35、主要進(jìn)行碳納米管的導(dǎo)電屬性和手性控制制備與生長機(jī)制等研究，其結(jié)果將為課題二中碳納米管的低成本、宏量可控制備技術(shù)的建立提供指導(dǎo)和借鑒；課題二重點(diǎn)針對課題三和課題四應(yīng)用研究對碳納米管的特殊要求，規(guī)模制備具有特定結(jié)構(gòu)的碳納米管，為課題三、課題四碳納米管的應(yīng)用研究提供材料保障；課題三和課題四均為面向國家重大需求，開展碳納米管的規(guī)模應(yīng)用研究，對碳納米管的結(jié)構(gòu)和性能提出具體的要求，從而為課題一、課題二的控制制備研究指引方向。此外，碳納米管的規(guī)?；瘧?yīng)用研究必將成為碳納米管制備研究的重要?jiǎng)恿蜖恳⑼苿?dòng)碳納米管研究領(lǐng)域的整體發(fā)展。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)：1、建立和發(fā)展

36、碳納米管導(dǎo)電屬性及手性控制制備方法。2、獲得導(dǎo)電屬性或手性均一的碳納米管，為其性能研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。3、揭示碳納米管的生長機(jī)制和可控生長原理。主要研究內(nèi)容：1、在制備過程中原位施加電場、磁場、溫度擾動(dòng)、光輻照等外場耦合，考察其對碳納米管導(dǎo)電屬性選擇性的影響，并探討相關(guān)機(jī)理。2、以切短的單壁碳納米管、富勒烯分子和有機(jī)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。3、發(fā)展宏量制備單一導(dǎo)電屬性或手性單壁碳納米管的方法。4、通過調(diào)控金屬或非金屬催化劑的結(jié)構(gòu)、組成、形貌等控制單壁碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)。5、建立在透射電鏡及激光拉曼光譜下原位研究碳納米管生長過程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，

37、研究碳納米管在生長過程中的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。6、計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，闡釋碳納米管的結(jié)構(gòu)控制生長原理。主要承擔(dān)單位：北京大學(xué)、中科院金屬研究所課題負(fù)責(zé)人：張錦 教授經(jīng)費(fèi)比例：26.5%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)研究研究目標(biāo)：1、建立高活性、高效率定向催化生長碳納米管的有序結(jié)構(gòu)催化劑的設(shè)計(jì)原理和制備方法。2、構(gòu)建低成本、連續(xù)化規(guī)模制備碳納米管的反應(yīng)器及其配套體系。3、發(fā)展高純度、超直碳納米管及其陣列的批量（千噸級/年）制備技術(shù)。4、發(fā)展碳納米管的宏量分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬性/半導(dǎo)體性單壁碳納米管的分離。主要研究內(nèi)容：1、設(shè)計(jì)與合成用于碳納米管定向、高效生長的有序結(jié)構(gòu)納米層

38、狀金屬催化劑。2、設(shè)計(jì)多級逆流變徑流化床反應(yīng)器，研究該反應(yīng)器內(nèi)碳納米管的生長規(guī)律、工藝優(yōu)化及在線監(jiān)控技術(shù)。3、研究大尺寸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。4、建立宏量碳納米管的純度及有序度的綜合評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)。5、規(guī)模制備高純度碳納米管及高導(dǎo)電、導(dǎo)熱碳納米管和鯡魚骨狀碳納米管。6、研究分散劑和多孔凝膠分離介質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)對不同導(dǎo)電屬性碳納米管的分離效率的影響，實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管導(dǎo)電屬性低成本、高純度的宏量分離。主要承擔(dān)單位：清華大學(xué)、中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所課題負(fù)責(zé)人：魏飛 教授經(jīng)費(fèi)比例：26.5%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

39、研究研究目標(biāo)：1、建立碳納米管的分散方法，實(shí)現(xiàn)碳納米管在橡膠、鋁合金等基體中的均勻分散。2、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)。3、闡明碳納米管在復(fù)合材料中的強(qiáng)化機(jī)制。4、制備出高性能碳納米管復(fù)合飛行器成像系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)件及汽車輪胎樣件，推動(dòng)碳納米管的實(shí)用化。主要研究內(nèi)容：1、采用化學(xué)改性、攪拌摩擦加工及變形加工技術(shù)制備碳納米管/金屬和碳納米管/橡膠復(fù)合材料。2、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(jìn)行表征與評價(jià)，探討復(fù)合材料的工藝

40、/質(zhì)量可控性。3、考察復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)演化，建立性能特征譜圖，研究復(fù)合材料在外場作用及多因素交互作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為與失效行為，建立材料組織與性能的本構(gòu)關(guān)系。4、根據(jù)組織-性能的本構(gòu)關(guān)系，優(yōu)化復(fù)合材料的制備工藝，設(shè)計(jì)制備一系列復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化，考察碳納米管的強(qiáng)化機(jī)制。5、開發(fā)碳納米管復(fù)合材料飛行器成像系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)件及汽車輪胎樣件。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(fù)責(zé)人：馬宗義研究員經(jīng)費(fèi)比例：21%課題四：碳納米管在鋰離子動(dòng)力電池及柔性光電器件中的應(yīng)用研究研究目標(biāo)：1、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。2、研制基于碳納米管復(fù)合電極材料的高

41、功率型鋰離子電池，并推動(dòng)其在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用。3、建立碳納米管結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電屬性等與其薄膜透明導(dǎo)電性的關(guān)系，闡釋碳納米管的透明導(dǎo)電機(jī)制。4、發(fā)展單分散碳納米管的再組裝成膜方法，制備大面積碳納米管透明導(dǎo)電薄膜，推動(dòng)其在柔性顯示器中的應(yīng)用。主要研究內(nèi)容：1、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(jī)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。2、考察碳納米管復(fù)合電極材料的電化學(xué)儲(chǔ)鋰特性，建立碳納米管對鋰離子電池首次效率、可逆容量和大電流放電性能等的影響規(guī)律。3、研究碳納米管對鋰離子電池高功率放電過程中電芯溫度場分布和電池安全性的影響，考察碳納米管提高

42、鋰離子動(dòng)力電池安全性及功率特性的機(jī)制。4、開發(fā)基于碳納米管復(fù)合電極材料的電動(dòng)汽車用鋰離子電池，并開展其應(yīng)用研究。5、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。6、研究碳納米管的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電屬性、分散度、成膜工藝等對薄膜性能的影響，優(yōu)選碳納米管薄膜的制備技術(shù)，制備大面積碳納米管薄膜，開展其作為柔性顯示器透明電極的應(yīng)用研究。主要承擔(dān)單位：中科院金屬研究所、中科院成都有機(jī)化學(xué)有限公司課題負(fù)責(zé)人：成會(huì)明經(jīng)費(fèi)比例：26%研究員四、年度計(jì)劃年度研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年1、以SiO 2、C 60、短切的碳納米管、BN等非金屬作為催化劑生長碳納米管。2、建立準(zhǔn)確、可靠的碳納米管

43、導(dǎo)電屬性表征方法和平臺(tái)。3、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。4、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。5、優(yōu)化乙烯或甲烷等碳源,溫度,壓力等生長條件，實(shí)現(xiàn)小批次的不同壁數(shù)的碳納米管的定向生長。6、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(tái)。7、宏量分離不同導(dǎo)電屬性碳納米管的裝置建立。8、研究橡膠與碳納米管水相納米復(fù)合的方法及其機(jī)理，主要包括碳納米管表面有機(jī)化方法以及碳納米管橡膠乳液懸浮混合體系絮凝動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。9、 研究水相分散和乳液共混過程中介質(zhì)與工藝對碳納米管表面結(jié)構(gòu)及分1、實(shí)

44、現(xiàn)利用多種非金屬催化劑高效生長碳納米管。2、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。3、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。4、獲得高活性及高穩(wěn)定性的有序結(jié)構(gòu)催化劑。5、實(shí)現(xiàn)少壁（3-5 層）碳納米管的定向（折疊）生長, 長徑比大于 5000，純度大于 99%。6、實(shí)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%。7、完成宏量分離不同導(dǎo)電屬性碳納米管系統(tǒng)的建立。8、確定碳納米管改性方法、水相分散及乳液共混工藝與介質(zhì)種類，實(shí)現(xiàn)碳納米管分散與結(jié)構(gòu)保護(hù)的一致性控制，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。9、初步

45、建立碳納米管復(fù)合材料的規(guī)?；苽浞椒?，實(shí)現(xiàn)碳納米散性影響，并與傳統(tǒng)粉末冶金工藝中的分散技術(shù)比較；10、 對傳統(tǒng)粉末冶金法與乳液共混后再行制備的碳納米管金屬復(fù)合材料進(jìn)行攪拌摩擦加工與塑性加工，對碳納米管結(jié)構(gòu)及其分散進(jìn)行研究比較。11、 研究碳納米管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、加入量、搭接狀態(tài)、網(wǎng)格密度等對復(fù)合電極材料物理和電化學(xué)性能的影響。12、 開展碳納米管后處理工藝研究，研究處理?xiàng)l件對電極材料功率特性和安全性的影響。13、 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。14、 開展碳納米管微弱氧化和單

46、分散溶液的制備與表征。管在基體中的均勻分散和良好的界面結(jié)合。10、 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。11、 獲得高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱碳管用于提高電極材料的功率特性和安全性。12、 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。13、 獲得碳納米管的單分散技術(shù)與表征方法。第二1、實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算模擬相結(jié)合研究非金屬催化劑生長碳納米管的機(jī)理。2、建立透射電子顯微鏡下和激光拉曼光譜下的碳納米管原位生長平臺(tái)，研究其生長過程，探討其生長機(jī)理。3、采用電弧放電、化學(xué)氣相沉積等方法制備 B、N 等摻雜的碳納米管。4、建立熱態(tài)反應(yīng)器在線熱成像檢測碳1、闡

47、釋非金屬催化生長碳納米管的機(jī)制。2、通過對碳納米管生長過程的原位研究，初步揭示其生長機(jī)制，并探索其結(jié)構(gòu)調(diào)控方法。3、制備得到 B、N 或 BN 共摻雜的碳納米管。4、建立在線檢測碳納米管純度的納米管陣列生長的系統(tǒng)。方法。5、研究催化劑、工藝條件與碳納米管定 5、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。年 6、利用CO 2、H 2O及其同位素原位去除程研究，初步揭示其純度控制方法。無定形炭，提高碳納米管純度及促進(jìn) 6、通過過程強(qiáng)化方法制備得到催化劑再生。7、研究不同分離介質(zhì)分離不同導(dǎo)電屬性的碳納米管的規(guī)律。8、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。研究復(fù)合材料熱加工過

48、程中的組織演化行為，以及相應(yīng)的性能特征。通過塑性變形加工研究碳納米管分布、取向與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形成；9、對碳納米管分布取向、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及界面狀態(tài)進(jìn)行表征，在此基礎(chǔ)上研究這些因素與力學(xué)性能、耐熱性能、導(dǎo)熱性能及熱物理性能間的關(guān)系。20-100 克級的定向生長的碳納米管產(chǎn)品，其純度>99.5%。7、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(rèn)識與控制方法，實(shí)現(xiàn)小批量（1-10g/h）的單壁碳納米管的分離，實(shí)現(xiàn)金屬性碳納米管的樣品純度大于 95%。8、從界面控制角度確定分散、復(fù)合工藝優(yōu)化原則；建立起通過變形加工實(shí)現(xiàn)碳納米管分布、取向的控制技術(shù)，以及塑性加工過程中的復(fù)合材料組織控制10、研究碳納

49、米管在溶液中均勻分技術(shù)；散的漿態(tài)混合工藝；發(fā)展碳納米管與 9、闡明碳納米管復(fù)合材料的力學(xué)電極材料的機(jī)械融合方法，研究碳納米管與磷酸鐵鋰、人造石墨等電極材性能增強(qiáng)機(jī)制與熱物理性能強(qiáng)化機(jī)制。料的復(fù)合。10、實(shí)現(xiàn)碳納米管三維導(dǎo)電網(wǎng)11、調(diào)控碳納米管表面狀態(tài)及其與絡(luò)結(jié)構(gòu)在復(fù)合電極材料中的有電極材料的相互作用；并表征碳管在復(fù)合電極材料中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。效構(gòu)建；獲得高性能碳納米管復(fù)合電極材料。12、采用不同結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電屬性的碳 11、實(shí)現(xiàn)碳納米管與不同電極納米管制備透明導(dǎo)電膜。材料的有效界面結(jié)合。13、實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算模擬相結(jié)合，研 12、揭示碳納米管結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電究碳納米管的本征特性、分散度、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和搭接方式等與

50、薄膜透明導(dǎo)電性的關(guān)系。性與其薄膜結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。13、 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，揭示碳納米管薄膜的透明導(dǎo)電機(jī)理。第三年1、表征摻雜碳納米管的導(dǎo)電屬性，探討通過摻雜調(diào)控碳納米管能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電屬性的機(jī)理。2、通過催化劑設(shè)計(jì)，制備窄直徑分布的碳納米管。3、研究非金屬納米粒子在生長不同類型和不同形貌碳納米管中的作用。4、實(shí)現(xiàn)多級逆流變直徑流化床新型反應(yīng)器的制造與運(yùn)行。5、利用氣體示蹤與顆粒示蹤等方法研究不同金屬催化劑顆粒及碳納米管在大尺度多級逆流變徑流化床反應(yīng)器中的氣固流體力學(xué)。6、優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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)均一的方法。7、研究不同分離裝置規(guī)模對于碳納米管分離效率的影響。8、研究碳納米管結(jié)構(gòu)特征、添加量、基體材料化學(xué)成分與復(fù)合材料力學(xué)物理性能關(guān)系，從服役性能對碳納米管復(fù)合材料體系進(jìn)行優(yōu)化；1、實(shí)現(xiàn)通過摻雜調(diào)控碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電屬性。2、獲得窄直徑分布的單壁碳納米管。3、基于非金屬催化生長碳納米管的機(jī)制，提出利用非金屬催化劑調(diào)控碳納米管結(jié)構(gòu)的方法及原理。4、得到運(yùn)行良好的多級逆流變直徑流化床新型反應(yīng)器。5、獲得不同固體在氣固逆流流化床反應(yīng)器中的不混合流動(dòng)的流體力學(xué)規(guī)律與控制方法。6、優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在上部填加催化劑，在下部得到高純度（>99.7%）的碳納米管的控制與連續(xù)化。7、將宏量分離不