项目简介金属耐磨材料导热性好、耐冲击，在电力、矿山、冶金、建材等行业得到广泛应用。目前常用的高铬铸铁、高锰钢等金属耐磨材料，存在磨损速度快、更换周期短等不足，开发高耐磨铁基复合材料是弥补上述不足的重要途径。本创新成果采用表面铸渗技术，通过设计开发金属基体组成、增强体结构和性能，在保持铸件整体成份和组织不变的条件下，在高铬铸铁、普通碳钢、球墨铸铁等铸件表面形成厚度可控的复合材料耐磨层，可方便地生产衬板、磨辊等耐磨件。该技术突破了以往复合层厚度只能达 3~10mm 的限制，

本技术以人体所需、地壳中丰富的元素组分为原料，采用简便的合成技术制备出新型纳米环境修复材料，可用于有机污染物、重金属及微生物等复合污染的水土治理，尤其适用于农田修复。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 以人体所需、地壳中丰富的元素组分为原料，采用简便的合成技术制备出新型纳米环境修复材料，可用于有机污染物、重金属及微生物等复合污染的水土治理，尤其适用于农田修复。该材料与技术历经十年研发，已具备工业生产和规模化应用条件，先后在福建和广东等地完成中试生产和农田治理应用试验。镉污染农田经1次治理后，水稻粒中镉含量降低35%左右，且产量增产达25%以上。 材料在污染治理中具有下列特色和优势： 1、材料来源丰富、成本低，易制备； 2、环境友好，不含有毒有害的过渡金属组分； 3、可实现有机物、重金属和致病微生物等多元复合污染物同步修复； 4、操作简单，无需外部能量激发和特定设备； 5、还可以兼作作肥料增强土壤肥力，达到农作物的增产之效。

制备在宏观尺度上具备二维单片石墨烯的独特本征性质的石墨烯三维体相材料是材料学研究中兼具学术价值和实用意义的重大挑战。本项目制备得到了一种三维石墨烯宏观体相材料，其由大量独立且悬空的二维石墨烯单元通过片层边缘的化学键构筑而成。该材料具有良好的机械性能，在常温可见光下作用下具有电子发射能力，在瓦特功率级别的可见波段激光或聚焦的太阳光照射下，厘米尺寸的此石墨烯材料样品可以在真空条件下实现有效的直接光驱动，此现象为国内外所首次观察及报道，为石墨烯带来了一种激动人心的潜在应用价值。上述材料的制备及相关性能研究还可为石墨烯在催化，能源转换与存储等领域的应用提供材料支持与相关理论支撑。

具有较大可逆形变功能的弹性材料在各种工程应用中具有广泛需求。然而，当温度显著降低时，材料延展性或弹性通常会受到损害。到目前为止，还没有材料能够实现在外太空等深低温下具有高弹性。近日，南开大学陈永胜团队报道了一种三维交联的石墨烯材料，在4K的深低温到1273K的高温温度区间材料超弹性行为几乎不变。在4K超低温条件下，具有与室温相同的力学性能：几乎完全可逆的超弹性行为（高达90％的应变），杨氏模量不变，泊松比接近零，循环稳定性好。原位实验和模拟结果表明，这种超弹性得益于独特结构的协同结果：单个石墨烯片层的本征弹性和片层之间的共价连接。

Ag 纳米颗粒具有优异的抗菌及杀菌性能，且具有广谱性及无抗药性。石墨烯是近年来最热门的材料之一，可以作为载体制备纳米复合材料，广泛应用在光电，电池，生物，医学等众多领域。对比目前 Ag 抗菌材料的载体如沸石，二氧化硅等来说，石墨烯具有独特的二维结构，其高的比表面积，稳定的物理及化学性质，可以优化 Ag 基纳米颗粒的生长，控制其形貌尺寸，从而获得性能优异的复合材料。 其独特的二维结构以及界面性能使其可以组装成不同应用环境的器件，因此具有广泛的适用范围和广阔的应用前景。重要的是，石墨烯还具有良好的生物相

目前传统消毒技术有诸多缺点：紫外消毒由于紫外光光谱会杀死健康细胞，对人眼和其他器官也是危险的，所以其灭菌场所不能有人进入，大大限制了其应用范围。传统的二氧化钛催化剂由于禁带宽度3.2ev，也只能受紫外光激发有效，大大限制了其应用；臭氧消毒易分解，其灭菌场所不能有人进入，对人眼和其他器 官具有危害；酒精、84消毒剂由于挥发不具有持续消毒能力，需要经常喷洒，另外存在着使用不当引起的火灾、中毒等风险。 课题组研发的氮化碳g-C3N4功能复合膜制备可解决述痛点，该项技术具有可提高膜的亲水性、提高膜的水通量、赋予膜光催化性能、赋予膜自清洁性能和抗菌性等特点。

Ag纳米颗粒具有优异的抗菌及杀菌性能，且具有广谱性及无抗药性。石墨烯是近年来最热门的材料之一，可以作为载体制备纳米复合材料，广泛应用在光电，电池，生物，医学等众多领域。对比目前Ag抗菌材料的载体如沸石，二氧化硅等来说，石墨烯具有独特的二维结构，其高的比表面积，稳定的物理及化学性质，可以优化Ag基纳米颗粒的生长，控制其形貌尺寸，从而获得性能优异的复合材料。其独特的二维结构以及界面性能使其可以组装成不同应用环境的器件，因此具有广泛的适用范围和广阔的应用前景。重要的是，石墨烯还具有良好的生物相容性，是抗

一、项目分类 显著效益成果转化 二、成果简介 本项目开创性地将石墨烯用于包覆钛酸锂，通过独特的加工工艺制得业内领先的石墨烯包覆钛酸锂材料，有效地解决了钛酸锂负极材料的产气问题，并以此为基础制得了高性能的钛酸锂超级电池。该电池单体可8C持续放电，20C脉冲放电，充放电循环大于30000次，10分钟可充电90%以上，低温性能优异（可在-40度环境下放电）。 石墨烯具有高导电性和优良的电化学稳定性，通过石墨烯的均匀包覆改善了钛酸锂的电子电导性，进而提升了电池的大倍率充放电能力和高低温性能。同时，石墨烯包覆降低了材料充放电过程中的极化，提高了材料的容量发挥，通过钝化钛酸锂材料表面的活性位点，解决了其产气问题。利用该负极材料做成钛酸锂超级电池，具有优异的倍率充放电性能、长寿命、高安全性能和优异的低温充放电性能。 本项目首先开发了石墨烯包覆的钛酸锂材料，采用高温固相法合成，X射线衍射图谱证明其为标准的钛酸锂尖晶石结构，微观上由100-200nm的一次颗粒组成的微米和亚微米级二次球形颗粒，D50为15±5μm，1C可逆容量大于155mAh/g。 获得了基于石墨烯包覆钛酸锂负极材料的钛酸锂超级电池，通过串并联成组后可以用于低温启动电源，轨道交通，储能等领域，在长寿命、高安全、快充和低温充放电领域具有广阔的应用前景。

制备在宏观尺度上具备二维单片石墨烯的独特本征性质的石墨烯三维体相材料是材料学研究中兼具学术价值和实用意义的重大挑战。本项目制备得到了一种三维石墨烯宏观体相材料，其由大量独立且悬空的二维石墨烯单元通过片层边缘的化学键构筑而成。该材料具有良好的机械性能，在常温可见光下作用下具有电子发射能力，在瓦特功率级别的可见波段激光或聚焦的太阳光照射下，厘米尺寸的此石墨烯材料样品可以在真空条件下实现有效的直接光驱动，此现象为国内外所首次观察及报道，为石墨烯带来了一种激动人心的潜在应用价值。上述材料的制备及相关性能研究还可为石墨烯在催化，能源转换与存储等领域的应用提供材料支持与相关理论支撑。 项目特色： 1.制备了基于二维石墨烯单元通过片层边缘的化学键构筑而成三维石墨烯体相材料，该材料不仅保留了二维石墨烯材料的本征性质， 而且具备优良的机械及光电性能。 2. 在国内外首次观察到厘米级尺寸的裸眼可见的宏观石墨烯样品，只依靠瓦特级别的光作为单一驱动源，即可实现较大距离(数十厘米)的有效的运动，并提出了光致电子发射驱动的机理解释上述三维石墨烯体相材料独特的光驱动， 3. 上述材料的制备与性能研究揭示通过有效合理的结构构筑手段，能够得到以二维石墨烯作为构成单元，并有效保留其独特二维性质和兼具三维宏观形态的石墨烯体相材料，此项研究为其它二维材料的开展类似工作并拓展其应用提供了范例和思路。 已取得的成果： 项目的标志性研究结果于 2015 年 6 月在线发表于 NaturePhotonics，并于 2015 年 7 月正式发表（Nature Photonics, 2015, 9, 471-476）。杂志同期以“Two-dimensional materials: Lift off for graphene”发表了专题评论。英国著名科普杂志 New Scientist 以“Spacecraft builtfrom graphene could run on nothing but sunlight”为题报道了此研究，指出该成果“再为石墨烯这种优良材料增添了一种惊人的性能”。国内主要媒体包括人民日报、光明日报、新华网以及多家门户网站等均对此研究进行了报道，中央电视台《新闻联播》栏目于 2015 年 6 月21 日也对此进行了报道。 市场应用前景： 空间飞行器是人类探索宇宙的重要工具，而动力源问题一直羁绊着人类无法走得更远。目前几乎所有的航空、航天飞行均采用化学驱动，即通过喷射燃烧的化学物质来获得驱动力，光直接驱动飞行是科学界和航空界多年的梦想。

项目成果/简介: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。 图 5、基于石墨烯的透明电极材料 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。应用范围: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。