[00790432]单壁碳纳米管和石墨烯的制备及其在能源、 光电器件和复合材料等方面的应用

1991 年发现的碳纳米管（CNT）以及 2004 年发现的石墨烯 （graphene），分别是一维和二维纳米材料的典型代表，被认为是 21 世纪的战略性材料。 本项目发明了一类新的催化剂和大量制备 SWNTs 的方法，实现 了高质量单壁碳纳米管的宏量制备（图 1），纯度达 70%以上，并达到了产业化规模（达 200 公斤/年以上）。采用机械共混及"原位"聚合等方法，使 SWNTs 有效地分散于高分子基质中，获得了以环氧树脂、 ABS 及聚氨酯等为基质材料，电导率达 0.2 S/cm、导电临界含量仅为 0.06%、电磁屏蔽效果高达 49dB 的复合材料。

本项目首先发展了一种可大量制备的可溶性功能化石墨烯 （SPFGraphene）的方法，实现了石墨烯的百克级制备（图 2）。通过 透射电子显微镜（图 3）及原子力显微镜（图 4）确定了石墨烯的二维平面结构。获得了可溶性石墨烯材料及柔性透明导电薄膜（图 5）；制备了 基于石墨烯的高稳定性有机光伏电池及复合材料。

所研制的单壁碳纳米管及石墨烯已用于数十家科研机构的研究 和相关产品/样机的研制，包括应用于国家 863 重大汽车电池项目（中 科院物理所）和军工卫星电池项目（中国电子科技集团公司第十八研 究所）等。已研制出晶体管、锂离子电池、超级电容器（图 6）以及 高性能复合材料等多种产品，具有广阔的应用前景。

本项目研究获得了国家 863 纳米专项、重大科学研究计划（973）、 国家自然科学基金、教育部博士点基金和天津市重点基金等项目的支 持，并获得 2010 年天津市自然科学一等奖。相关发明专利 10 余项。

市场应用前景： 南开大学在碳纳米材料的制备及应用研究方面取得了一批开创 性成果，该项目技术的推广，将促进我国新材料、微电子、储能、资 源保护等领域的技术进步和发展，为我国在这一新型纳米材料领域占 据有利地位，提高国际竞争力，做出重要贡献。