973项目、国家自然科学基金项目申请书_碳纳米管的可控制备方法及规模应用关键技术研究

973项目、国家自然科学基金项目申请书_碳纳米管的可控制备方法及规模应用关键技术研究内容摘要：

人造石墨或磷酸铁锂）的 复合过程，且其界面结合好。 影响碳纳米管薄膜透明导电性的关键因素包括碳纳米管本身的光电特性、碳纳米 管间的接触电阻及二维输运网络的构建。 本项目中碳纳米管导电属性可控制备及 分离研究组可提供导电属性单一的碳纳米管，而碳纳米管的单分散技术为充分发 挥碳纳米管优异性能构建有效网络提供了重要保障。 本项目提出的采用酸氧化和 氢卤酸还原的方法，可获得高度分散的单壁碳纳米管。 即对碳纳米管表面进行官 能化处理，使其表面带上与分散介质相容性好的官能团，不仅可以提高其在介质 中的分散性，而且成型后经还原处理去除官 能团可恢复碳纳米管的导电、导热性 能。 因此碳纳米管的可逆表面官能化是实现碳纳米管单分散并保持其优异物性的 有效方法。 在此基础上优选特定结构和性能的碳纳米管，构建具有优化结构的碳 纳米管薄膜，再经还原处理提高其导电性，可望同时获得高导电性和高透明性。 柔韧性决定了碳纳米管薄膜能否在柔性器件中获得应用。 影响碳纳米管薄膜柔韧 性的关键是碳纳米管膜与柔性基体的粘附性。 拟通过调整分散液和基材的表面张 力，在充分润湿的情况下使碳纳米管导电网络充分铺展，来提高碳纳米管与基体 的附着力；同时还可通过热压、添加 粘结剂、微波加热等方法来改善粘附性。 本 项目组最近采用热压方法制备的与柔性基体结合的碳纳米管薄膜，经过 10000 次的反复弯折实验后，薄膜的表面电阻几乎没有变化。 因此通过改善碳纳米管与 基体的粘附力提高薄膜柔韧性的路线是可行的。 （四）课题设置 针对当前碳纳米管研究领域中的关键科学和技术问题，即碳纳米管的导电属 性和手性控制、碳纳米管的低成本大批量可控制备及碳纳米管的规模化应用，本 项目设置以下四个课题，即：课题一，碳纳米管的导电属性与手性控制制备方法 及原理研究；课题二，面向规模应用 的碳纳米管低成本批量制备及分离技术研究； 课题三，碳纳米管复合材料关键制备技术及规模化应用研究；课题四，碳纳米管 在锂离子动力电池及柔性光电器件中的应用研究。 本项目集中了国内碳纳米管研 究领域的主要优势团队，结合各自研究基础和优势，既有明确课题分工，又相互 合作与联系，以保证本项目的顺利实施，并力争突破碳纳米管研究中可控制备和 实际应用这两个瓶颈问题。 本项目所设四个课题之间既相互独立又有机关联：课题一主要进行碳纳米管 的导电属性和手性控制制备与生长机制等研究，其结果将为课题二中碳 纳米管的 低成本、宏量可控制备技术的建立提供指导和借鉴；课题二重点针对课题三和课 题四应用研究对碳纳米管的特殊要求，规模制备具有特定结构的碳纳米管，为课 题三、课题四碳纳米管的应用研究提供材料保障；课题三和课题四均为面向国家 重大需求，开展碳纳米管的规模应用研究，对碳纳米管的结构和性能提出具体的 要求，从而为课题一、课题二的控制制备研究指引方向。 此外，碳纳米管的规模 化应用研究必将成为碳纳米管制备研究的重要动力和牵引，并推动碳纳米管研究 领域的整体发展。 课题一：碳纳米管的导电属性与手性 控制制备方法及原理研究 研究目标： 建立和发展碳纳米管导电属性及手性控制制备方法。 获得导电属性或手性均一的碳纳米管，为其性能研究和应用奠定基础。 揭示碳纳米管的生长机制和可控生长原理。 主要研究内容： 在制备过程中原位施加电场、磁场、温度扰动、光辐照等外场耦合，考 察其对碳纳米管导电属性选择性的影响，并探讨相关机理。 以切短的单壁碳纳米管、富勒烯分子和有机合成的碳碗结构等作为催化 剂，采用碳 “端帽 ”导向生长方法，制备手性均一的碳纳米管。 发展宏量制备单一导电 属性或手性单壁碳纳米管的方法。 通过调控金属或非金属催化剂的结构、组成、形貌等控制单壁碳纳米管 的微观结构。 建立在透射电镜及激光拉曼光谱下原位研究碳纳米管生长过程的实验平 台，研究碳纳米管在生长过程中的结构演变规律。 计算模拟和实验研究相结合，阐释碳纳米管的结构控制生长原理。 主要承担单位：北京大学、中科院金属研究所 课题负责人：张锦 教授 经费比例： % 课题二：面向规模应用的碳纳米管低成本批量制备及分离技术研究 研究目标： 建立高活性、高效率 定向催化生长碳纳米管的有序结构催化剂的设计原 理和制备方法。 构建低成本、连续化规模制备碳纳米管的反应器及其配套体系。 发展高纯度、超直碳纳米管及其阵列的批量（千吨级 /年）制备技术。 发展碳纳米管的宏量分离技术，实现金属性 /半导体性单壁碳纳米管的分 离。 主要研究内容： 设计与合成用于碳纳米管定向、高效生长的有序结构纳米层状金属催化 剂。 设计多级逆流变径流化床反应器，研究该反应器内碳纳米管的生长规律、 工艺优化及在线监控技术。 研究大尺寸多级逆流变径流化床反应器中气固流体力学对 CVD 法生长 碳纳米管的影响规律。 建立宏量碳纳米管的纯度及有序度的综合评价方法与标准。 规模制备高纯度碳纳米管及高导电、导热碳纳米管和鲱鱼骨状碳纳米管。 研究分散剂和多孔凝胶分离介质的结构性质对不同导电属性碳纳米管的 分离效率的影响，实现单壁碳纳米管导电属性低成本、高纯度的宏量分离。 主要承担单位：清华大学、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 课题负责人：魏飞 教授 经费比例： % 课题三：碳纳米管复合材料关键 制备技术及规模化应用研究 研究目标： 建立碳纳米管的分散方法，实现碳纳米管在橡胶、铝合金等基体中的均 匀分散。 揭示碳纳米管与轻金属及橡胶的界面耦合作用，建立可靠的碳纳米管 / 金属及碳纳米管 /橡胶复合技术。 阐明碳纳米管在复合材料中的强化机制。 制备出高性能碳纳米管复合飞行器成像系统支撑结构件及汽车轮胎样件， 推动碳纳米管的实用化。 主要研究内容： 采用化学改性、搅拌摩擦加工及变形加工技术制备碳纳米管 /金属和碳纳 米管 /橡胶复合材料。 利用 XRD、电子显微分析及拉曼光谱等手段研究碳纳米管、预制体及复 合材料的微观结构，对碳纳米管本征特性、缺陷、杂质与分布排列等对复合材料 性能的影响进行表征与评价，探讨复合材料的工艺 /质量可控性。 考察复合材料的微观结构演化，建立性能特征谱图，研究复合材料在外 场作用及多因素交互作用下的动态响应行为与失效行为，建立材料组织与性能的 本构关系。 根据组织 性能的本构关系，优化复合材料的制备工艺，设计制备一系列 复合材料进行结构性能优化，考察碳纳米管的强化机制。 开发碳纳米管复合材料飞行器成像 系统支撑结构件及汽车轮胎样件。 主要承担单位：中科院金属研究所、北京化工大学 课题负责人：马宗义 研究员 经费比例： 21% 课题四：碳纳米管在锂离子动力电池及柔性光电器件中的应用研究 研究目标： 获得高安全性、高功率特性碳纳米管复合电极材料的优化结构及制备方 法。 研制基于碳纳米管复合电极材料的高功率型锂离子电池，并推动其在电 动汽车中的应用。 建立碳纳米管结构、导电属性等与其薄膜透明导电性的关系，阐释碳纳 米管的透明导电机制。 发展单分散碳纳 米管的再组装成膜方法，制备大面积碳纳米管透明导电 薄膜，推动其在柔性显示器中的应用。 主要研究内容： 研究碳纳米管在复合电极中的分散特性、网络构建及界面结合情况，采 用机械融合等方法制备高功率特性、高安全性和高能量密度的碳纳米管复合电极 材料。 考察碳纳米管复合电极材料的电化学储锂特性，建立碳纳米管对锂离子 电池首次效率、可逆容量和大电流放电性能等的影响规律。 研究碳纳米管对锂离子电池高功率放电过程中电芯温度场分布和电池安 全性的影响，考察碳纳米管提高锂离子动力电池安全性及功率 特性的机制。 开发基于碳纳米管复合电极材料的电动汽车用锂离子电池，并开展其应 用研究。 研究弱酸氧化碳纳米管及其单分散技术，发展碳纳米管的再组装成膜与 氢卤酸还原方法。 研究碳纳米管的结构、导电属性、分散度、成膜工艺等对薄膜性能的影 响，优选碳纳米管薄膜的制备技术，制备大面积碳纳米管薄膜，开展其作为柔性 显示器透明电极的应用研究。 主要承担单位：中科院金属研究所、中科院成都有机化学有限公司 课题负责人：成会明 经费比例： 26% 研究员年 度 研究内容 预期目标 第 一 年 以 SiO C 60、短切的碳纳米管、 BN 等非金属作为催化剂生长碳纳米管。 建立准确、可靠的碳纳米管导电属性 表征方法和平台。 通过原位施加电场、磁场、光辐照、 氧化等选择性生长金属性或半导体 性碳纳米管。 以蛭石、水滑石、棒状纤维及球形颗 粒等有序结构为载体制备金属组分 高分散度的催化剂。 优化乙烯或甲烷等碳源 ,温度 ,压力等 生长条件，实现小批次的不同壁数的 碳纳米管的定向生长。 建立高分辨透射电镜与化学吸附结 合的手段研究催化剂分散度的表征 方法与平台。 宏量分离不同导电属性碳纳米管的 装置建立。 研究橡胶与碳纳米管水相纳米复合 的方法及其机理，主要包括碳纳米管 表面有机化方法以及碳纳米管橡胶 乳液悬浮混合体系絮凝动力学进行 研究。 研究水相分散和乳液共混过程中介 质与工艺对碳纳米管表面结构及分 实现利用多种非金属催化剂高 效生长碳纳米管。 建立多波长激光拉曼光 谱、吸 收光谱、 FET 检测等表征碳纳 米管导电属性的方法。 通过原位施加外场，获得某种 导电属性占优的碳纳米管。 获得高活性及高稳定性的有序 结构催化剂。 实现少壁（ 35 层）碳纳米管的 定向（折叠）生长 , 长径比大 于 5000，纯度大于 99%。 实现单壁碳纳米管的定向（折 叠）生长，长径比大于 3000， 纯度大于 99%。 完成宏量分离不同导电属性碳 纳米管系统的建立。 确定碳纳米管改性方法、水相 分散及乳液共混工艺与介质种 类，实现碳纳米管分散与结构 保护的一致性控制， 明晰碳纳 米管与橡胶悬浮混合物絮凝过 程的各种影响因素。 初步建立碳纳米管复合材料的 规模化制备方法，实现碳纳米 散性影响，并与传统粉末冶金工艺中 的分散技术比较； 对传统粉末冶金法与乳液共混 后再行制备的碳纳米管金属复合材 管在基体中的均匀分散和良好 的界面结合。 阐明碳纳米管及其网络结 构和性能对复合电极材料电化 四、年度计划 年 度 研究内容 预期目标 第 一 年 以 SiO C 60、短切的碳纳米管、 BN 等非金属作为催化剂生长碳纳米管。 建立准确、可靠的碳纳米管导电属性 表征方法和平台。 通过原位施加电场、磁场、光辐照、 氧化等选择性生长金属性或半导体 性碳纳米管。 以蛭石、水滑石、棒状纤维及球形颗 粒等有序结构为载体制备金属组分 高分散度的催化剂。 优化乙烯或甲烷等碳源 ,温度 ,压力等 生长条件，实现小批次的不同壁数的 碳纳米管的定向生长。 建立高分辨透射电镜与化学吸附结 合的手段研究催化剂分散度的表征 方法与平台。 宏量分离不同导电属性碳纳米管的 装置建立。 研究橡胶与碳纳米管水相纳米复合 的方法及其机理，主要包括碳纳米管 表面有机化方法以及碳纳米管橡胶 乳液悬浮混合体系絮凝动力学进行 研究。 研究水相分散和乳液共混。