1991年發現的碳納米管（CNT）以及2004年發現的石墨烯（graphene），分別是一維和二維納米材料的典型代表，被認為是21世紀的戰略性材料。
本項目發明了一類新的催化劑和大量制備SWNTs的方法，實現了高質量單壁碳納米管的宏量制備（圖1），純度達70%以上，并達到了產業化規模（達200公斤/年以上）。







圖1、自制的SWNTs合成反應器

采用機械共混及"原位"聚合等方法，使SWNTs有效地分散于高分子基質中，獲得了以環氧樹脂、ABS及聚氨酯等為基質材料，電導率達0.2 S/cm、導電臨界含量僅為0.06%、電磁屏蔽效果高達49dB的復合材料。

本項目首先發展了一種可大量制備的可溶性功能化石墨烯（SPFGraphene）的方法，實現了石墨烯的百克級制備（圖2）。通過透射電子顯微鏡（圖3）及原子力顯微鏡（圖4）確定了石墨烯的二維平面結構。

 
圖2、可溶性石墨烯的批量制備

 
圖3、石墨烯的透射電鏡照片

 
圖4、石墨烯的原子力顯微鏡照片

獲得了可溶性石墨烯材料及柔性透明導電薄膜（圖5）；制備了基于石墨烯的高穩定性有機光伏電池及復合材料。

 
圖5、基于石墨烯的透明電極材料
所研制的單壁碳納米管及石墨烯已用于數十家科研機構的研究和相關產品/樣機的研制，包括應用于國家863重大汽車電池項目（中科院物理所）和軍工衛星電池項目（中國電子科技集團公司第十八研究所）等。已研制出晶體管、鋰離子電池、超級電容器（圖6）以及高性能復合材料等多種產品，具有廣闊的應用前景。
 
圖6、基于石墨烯的高性能超級電容器

本項目研究獲得了國家863納米專項、重大科學研究計劃（973）、國家自然科學基金、教育部博士點基金和天津市重點基金等項目的支持，并獲得2010年天津市自然科學一等獎。

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南開大學在碳納米材料的制備及應用研究方面取得了一批開創性成果，該項目技術的推廣，將促進我國新材料、微電子、儲能、資源保護等領域的技術進步和發展，為我國在這一新型納米材料領域占據有利地位，提高國際競爭力，做出重要貢獻。