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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。
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