一、研究内容
本项目拟解决的关键科学和技术问题包括：单壁碳纳米管的导电属性及手性控制方法与原理；面向特定应用的碳纳米管的低成本、宏量及可控制备科学与技术；碳纳米管复合材料的结构设计及性能优化方法与原理；碳纳米管三维网络结构的构建原理及其功能特性应用方法。
1、单壁碳纳米管的导电属性及手性控制方法与原理
单壁碳纳米管的导电属性及手性控制是当前碳纳米管研究中的一个核心问题。一方面，在原子尺度实现碳纳米管结构和性能的调控对碳纳米管生长机制的理解具有重要意义；另一方面，获得单一导电属性及手性的碳纳米管可极大促进碳纳米管在电子、光电器件中的实际应用。本项目提出采用施加外场、催化剂调控、碳“端帽”导向生长、原位研究碳纳米管生长过程等方法，探索生长单一导电属性和手性碳纳米管的原理和方法，并建立碳纳米管的可控生长机制。 主要研究内容：
（1）外场诱导法直接生长金属性或半导体性单壁碳纳米管。利用金属性和半导体性碳纳米管结构和性质上的差异，在碳纳米管生长过程中原位引入电场、磁场、光辐照等外场，进行单一导电属性碳纳米管的选择性生长；探索导电属性可控碳纳米管的制备方法并优化其生长条件。
（2）碳“端帽”导向生长手性可控的单壁碳纳米管。以富勒烯分子或切短的具有相同手性的单壁碳纳米管作为“端帽”或“种籽”，控制生长手性全同的单壁碳纳米管，系统研究手性可控碳纳米管的制备方法及生长机理。
（3）探索新型催化剂控制生长碳纳米管，研究催化生长碳纳米管的控制机制。制备尺寸均匀、化学组成和结构可控的金属和非金属催化剂纳米粒子，探索其生长导电属性和手性可控碳纳米管的可行性及相关机制。
（4）搭建单壁碳纳米管生长过程原位研究平台。利用STM-TEM样品台等在透射电镜下原位研究单壁碳纳米管的催化生长过程及热力学、动力学特征，揭示其生长机制；将CVD生长体系引入到激光拉曼光谱分析系统，原位研究单壁碳纳米管的生长过程与生长机理。
（5）开展基于电动色谱原理的不同导电属性单壁碳纳米管的低成本宏量分离。
利用金属性和半导体性碳纳米管结构和表面电荷分布密度的差异，通过分散剂结构的设计，调制多孔分离介质在电场存在下对不同手性和导电属性碳纳米管选择性的识别能力，实现不同导电属性单壁碳纳米管的宏量分离，并建立碳纳米管导电属性宏量分离纯度的快速、可靠的评价方法。
2、面向特定应用的碳纳米管的低成本、宏量及可控制备科学与技术
结构可控碳纳米管的宏量、低成本制备是实现碳纳米管规模化应用的重要前提和基础。在碳纳米管结构调控研究的基础上，突破超高活性催化剂设计、大尺度反应器构建、超高纯度和特定结构的碳纳米管的批量化制备等关键问题，建立面向应用具有特定结构碳纳米管的宏量、低成本制备技术，为碳纳米管的规模化应用研究提供材料保障。 主要研究内容：
（1）设计与合成用于碳纳米管定向、高效生长的有序纳米层状金属催化剂。研究不同有序载体如层状化合物、水滑石、纤维状载体等担载金属催化剂的方法；建立有序结构催化剂分散度的表征方法和有序结构催化剂的热稳定性与结构变化的表征与调控方法。
（2）建立高纯度碳纳米管的生长规律、制备技术及在线监测技术。研究有序结构催化剂对不同碳源的适应性；研究最优碳源的裂解动力学行为与催化剂失活动力学；研究利用CO2、H2O等弱氧化剂原位去除无定形炭，促进催化剂原位再生的方法；采用C13同位素标记的方法研究弱氧化剂对碳纳米管质量与形貌的影响规律；建立热态反应器中有序结构催化剂定向生长碳纳米管阵列速率的在线热成像检测系统；研究碳纳米管定向聚集结构与催化剂及制备工艺的关系。 （3）考察大尺度、高膨胀比条件下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。研究以不同金属催化剂颗粒及碳纳米管为流化介质的流体力学行为；研究多级逆流流化床的多孔分布器、碳纳米管流向控制折流板及气固分离结构与碳纳米管溢流装置的优化设计方法；利用气体原位示踪的方法研究气固逆流操作效率及其对热态操作过程碳源转化率的影响；研究在催化剂连续加入与碳纳米管连续取出过程中，保持碳纳米管品质均一性的方法。 （4）优化多级逆流变径流化床内热态催化生长碳纳米管技术。研究在不同尺寸的多级逆流变径流化床内利用有序结构金属催化剂制备超高纯度碳纳米管的技
术，实现碳纳米管纯度与催化剂活性的可控监测与优化；研究基于无机氧化物片层与碳纳米管阵列相间的有序结构杂化体的批量可控制备技术；研究高纯度碳纳米管阵列垂直度与流化床操作条件间的关系，实现超直碳纳米管的批量制备。 （5）研究高导电、高导热及鲱鱼骨状碳纳米管的批量制备技术。通过工艺条件及催化剂调控，发展比表面积与石墨结晶度可控的高导电、高导热及鲱鱼骨状碳纳米管的宏量制备技术。
（6）建立碳纳米管纯度及质量等的综合评价方法与标准。利用扫描、透射、高分辨电镜、拉曼光谱、PL谱、热重分析、表面吸附等手段对宏量碳纳米管进行表征，获得其纯度、结构及有序度等信息，建立宏量碳纳米管质量的综合评价方法与标准。
3、碳纳米管复合材料的结构设计及性能优化方法与原理
研究碳纳米管复合材料的结构设计及性能优化方法对提高复合材料的综合性能、阐释碳纳米管的强化机制及推动碳纳米管的实际应用具有重要意义。本项目将发展碳纳米管/橡胶和碳纳米管/轻金属复合材料的制备技术，研究复合材料界面结构特征及其调控方法，揭示碳纳米管自身结构、分散性及界面特征对复合材料性能的影响，阐释碳纳米管的结构和功能增强机理，力争实现碳纳米管复合材料的规模化应用。 主要研究内容：
（1）提出可逆表面官能化方法实现碳纳米管的单分散。利用碳纳米管表面可官能化、且一些官能团可通过后处理去除恢复碳纳米管结构完整性的特点，调控碳纳米管的表面官能团结构及其与分散介质的相互作用，实现碳纳米管的单分散；发展碳纳米管单分散的表征方法，揭示碳纳米管在介质中单分散的形成、优化和稳定化原理；优化去官能化、恢复碳纳米管本征结构和性能的还原方法。 （2）建立碳纳米管在基体材料中的分散与复合方法。研究碳纳米管在橡胶、轻金属等基体中的分散方法；研究复合工艺对碳纳米管结构、分散状态、取向与排列、网络结构等的影响及其机制。
（3）研究碳纳米管与基体间的界面结合规律及界面结构。考察分散和复合工艺对碳纳米管表面结构的影响；研究复合过程中的界面反应情况；研究界面耦合作用产生的载荷传递、声子传热等机制；发展碳纳米管表面防护技术与界面结构优
化方法。
（4）考察碳纳米管复合材料的结构-性能关系与性能优化方法。研究碳纳米管复合材料的强度、模量、导电导热性能、热膨胀行为、疲劳特性等与碳纳米管结构、分布、添加量、界面等的关系；阐明碳纳米管复合材料的结构-性能关系，提出其性能优化方法。
（5）发展碳纳米管复合材料的成型加工技术。研究塑性变形加工对复合材料中碳纳米管分布、排列、取向、结构及界面特征的影响，探讨通过塑性加工改善碳纳米管分散并对其取向、排列等进行控制的可行性；探讨采用搅拌摩擦加工方法制备大尺寸零部件的可行性。
（6）探索碳纳米管复合材料的规模应用。研制基于碳纳米管/轻金属复合材料的飞行器成像系统支撑结构件及基于碳纳米管/橡胶复合材料的汽车轮胎，解决相关材料批量制备中的技术问题，推进碳纳米管的规模化应用。
4、碳纳米管三维网络结构的构建原理及其功能特性应用
安全性和高功率特性是锂离子动力电池在电动汽车中应用的核心问题。碳纳米管复合电极材料为发展高安全性、高功率、高能量密度锂离子电池提供了新途径。利用有效分散和复合技术使高导电、高导热或鲱鱼骨状碳纳米管在电极材料颗粒间形成三维导电、导热网络，实现纳米尺度上电子、声子、离子的快速输运，大幅改善电极材料的反应动力学和电热传导性能。同时，三维网络结构设计可为碳纳米管透明导电薄膜的结构和性能优化提供依据和指导，进而推动其实际应用。
主要研究内容：
（1）考察碳纳米管三维网络提高锂离子动力电池安全性及功率特性的机理。采用实验研究和计算模拟相结合的方法，在微观尺度上研究碳纳米管三维网络结构中的声子、电子和离子输运特性以及热传导、热传质过程，考察电化学过程中形成的固体电解质中间相（SEI）膜对传热传质等输运过程的影响，阐明高导电、高导热碳纳米管提高电极材料功率特性及安全性的机理。
（2）采用机械融合方法制备碳纳米管复合电极材料。发展碳纳米管与电极材料的机械融合方法，调控碳纳米管表面状态及其与电极材料的相互作用；优化实验参数实现碳纳米管与不同电极材料的有效界面结合，制备高性能碳纳米管复合电
极材料。
（3）发展高能量密度碳纳米管复合电极材料。发展多级复合技术，将碳纳米管网络与高容量负极（如Si、Sn、氧化物等）高效复合，再利用机械融合技术制备出高比容量及长循环寿命的碳纳米管复合负极材料。
（4）开发碳纳米管复合电极材料在电动汽车用锂离子动力电池中的应用。研究碳纳米管复合电极材料中正负极匹配原则和电池结构优化设计，推进碳纳米管复合电极材料在高功率锂离子动力电池中的实际应用。
（5）揭示碳纳米管的导电属性及网络结构对透明导电薄膜性能的影响规律。研究碳纳米管的本征特性（能带结构、介电常数、折射系数等）、分散度、网络结构和搭接方式等与薄膜透明导电性的关系；获得具有优化网络结构的碳纳米管透明导电薄膜，实验研究和计算模拟相结合揭示碳纳米管薄膜的透明导电机理。 （6）考察大面积碳纳米管透明导电薄膜的制备与应用。发展单分散碳纳米管的再组装成膜以及快速还原处理提高导电性的方法，研究碳纳米管表面状态与结构、在溶液中分散度和稳定性等与自组装成膜的结构及动力学过程等的关系，揭示其成膜机制与原理；制备大面积碳纳米管柔性透明导电薄膜，并开发其在柔性显示器中的应用。