中科院苏州纳米所李清文

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李清文，中科院“百人计划”研究员，博士生导师，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副所长。获国务院政府特殊津贴（2015）、江苏省333工程第二层次培养对象（2016）、江苏省科技进步三等奖（2014）、苏州工业园区领军人才（2011）、江苏省创新创业人才（2009）等。国际著名“Carbon”和“Advanced electronic materials”杂志编委。2000年获得清华大学化学系博士学位；2001/3-2007/12间分别在北京大学化学系、英国剑桥大学材料系和美国Los Alamos 国家实验室以博士后和助理研究员身份从事碳纳米管制备与应用研究。2008/1回国致力于纳米碳低成本可控制备、多级结构加工以及纳米碳宏观体在功能复合材料和能源方面应用研究，曾主持和参与多项科技部纳米专项、基金委重点及面上、江苏省成果转化重点项目、总装预研重点项目等，高纯度半导体碳纳米管分离、碳纳米管纤维与薄膜连续制备技术等已成功获得技术转化，相关成果在Nature、Nature materials、Nature nanotechnology, Adv. Mat., JACS, ACS Nano, Small等著名国际期刊上发表学术论文100余篇，引用次数逾4000次，获得授权发明专利30余项。



姓 名:李清文        
性    别:女
职 务:
职    称:研究员
学 历:博士研究生        
通讯地址:苏州工业园区若水路398号
电 话:
邮政编码:215123
传 真:
电子邮件:qwli2007@sinano.ac.cn

　　

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纳米人才李清文：我赶上了园区的发展风口

今年是我回国发展落户苏州工业园区的第十年。


　　弹指一挥间，不知不觉在这座城市度过了十个春夏秋冬。从小在北方成长的我，怎么也没想到会在苏州开启新的生活之旅。这十年，已脱胎换骨成为地道苏州人，适应了这里湿热的夏天、寒冷的冬天；喜欢上了清新温婉、百花争艳的春季，和桂花飘香、五色醉人的秋季。
　　这十年，我见证了园区和中国科学院苏州纳米所的快速发展。刚来独墅湖高教区时人员稀少，纳米所是唯一一个颇有人气的单位，街道上少见有车辆穿行，每天大家乘坐班车一起上班、下班，对于刚回国的准单身们来说颇有在世外桃源的感觉。大家在这里有幸成为高教区初期建设者和发展过程的见证者：一座座建筑拔地而起，一个个领军企业落户下来，一群群青春洋溢的年轻人成长起来……一年又一年，我亲身经历和感受了长三角地区经济的飞速发展，园区特有的风格和速度。赶上这样的发展风口，我个人也有机会实现很多挑战，尝试多种不曾想过的经历：有了自己的实验室，从100平米发展到现在的2000平米，把碳纳米管纤维和薄膜最终变成了产品……倘若十年前选择留在了北京，或许此刻就没有这么多值得回味的地方。人生选择是机遇，更是缘分。 　　
    与苏州结缘，始于园区纳米，源于朋友的推荐以及杨辉所长的信任和支持。想当年，在美国Los Alamos国家实验室我拿着高薪和多次获奖的成果。选择回国，是心怀梦想和追求的：我想通过努力把碳纳米管变成能为人类造福的产品。到园区那一年，赶上了金融风暴，有机会跟着院里起草了当地产业发展规划的建议，现场参观了若干家企业，渐渐被企业家精神所感染。一次次参观学习，让我更加坚定了要走出论文，坚持做出一件实事的想法。纳米所的建设，园区纳米产业协同发展以及地方强有力的支持，为我们提供了做事的平台。虽然一切都要从零开始，一路伴随太多辛劳和心酸，坚持下来回头再看，却是一笔难得的人生经历和财富。
  　　纳米技术以小成大。作为苏州纳米所的建设者，我有幸看到研究所在国内外的影响力逐渐形成，研究成果层出不穷，有些成果已实现转化。这其中，也包括我们团队的碳纳米管纤维与薄膜的技术。团队十年的坚持，让碳纳米管连续制备技术越来越成熟，在性能调控与应用方面也使我们团队得到国内外同行高度认可。目前，高导电碳纳米管纤维和薄膜产品已经进入市场，为用户在防护、健康、环境等方面带来了全新感受。我们期待碳纳米管作为未来改变世界的新材料，通过我们的努力，有更多的技术和产品能改变我们现有的生活方式，更好地服务社会。  
　　园区是一个开放而包容的地区，在创业和生活环境等方面堪比美国“硅谷”。作为纳米产业的推进者，要做的、可以做的事还有很多。不忘初心，砥砺前行；有坚持，就一定有收获。最后，也用“在路上”的歌词，总结自己在园区奋斗的过去、现在和将来，也想送给在创业路上拼搏的朋友们共勉。  


　　那一天 我不得已上路 为不安分的心 为自尊的生存 为自我的证明 路上的心酸 已融进我的眼睛心灵的困境 已化作我的坚定 在路上 用我心灵的呼声 在路上 只为伴着我的人 在路上 是我生命的远行……


　　李清文，中科院“百人计划”研究员，博士生导师，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副所长，获国务院政府特殊津贴（2015）、中科院朱李月华优秀教师奖（2016）、江苏省333工程第二层次培养对象（2016）、苏州市杰出发明人奖（2015）、江苏省科技进步三等奖（2014）、苏州工业园区领军人才（2011）、江苏省创新创业人才（2009）等。国际著名“Materials Science and Engineering Review”副主编，“Carbon”和“Advanced electronic materials”杂志编委。

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中国科学院妇女工作委员会对中国科学院“巾帼建功”先进集体、先进个人进行表彰，以宣传和发挥先进女性典型的榜样引领和示范带动作用。经基层单位推荐，院妇工委初评、专家评审、院妇工委全委会审议并公示，苏州纳米所副所长、先进材料部主任李清文研究员获得“巾帼建功”先进个人荣誉称号。


　　李清文研究员锐意进取、勇于创新，充分展现了新时代科技女性的“巾帼力量”。她2007年12月加入苏州纳米所以来，以推动碳纳米管创新应用为牵引，敢于挑战本领域技术瓶颈问题，通过碳纳米管可控制备技术的不断优化，发展了系列低维碳材料跨尺度组装新原理、新效应，开拓碳纳米管在高性能薄膜器件、新型碳基材料可规模化加工的新技术与新工艺。她组建的纳米碳材料团队已成长为一支在国内外有重要影响力的、从基础到产业应用的多学科交叉队伍，先后在Nature、Nature Comm、 Adv. Mater. 、Nano Lett.、JACS、Adv. Func. Mater. 等国际著名核心期刊发表论文120余篇，引用次数4000余次，获得发明专利100余项，承担国家各类项目包括科技部、基金委等各类纵向及横向项目逾1亿元，团队成员获得中科院百人计划、科技部青年拔尖、江苏省双创、领军人才等多项国家省部级人才项目支持，相关研究成果得到华为、小米、中天科技、联想等行业领军企业转化与技术服务，累计逾1亿元。


　　苏州纳米所全体女职工将以先进典型为榜样，立足本职，扎实工作，为研究所创新发展贡献智慧和力量。

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　碳纳米管是一种潜力巨大的超级材料，是构建未来超强结构和碳基半导体器件的理想核心基础材料。将碳纳米管组装成宏观体（如纤维、薄膜和泡沫等）是实现碳纳米管宏量应用的重要途径之一。碳纳米管纤维是碳纳米管的一维连续组装体，其不仅可以单独使用，而且可以通过编织形成二维薄膜或者三维编织结构，成为最受关注的碳纳米管宏观体。近二十年来，人们致力于开发碳纳米管纤维连续纺丝工艺，揭示碳纳米管纤维的工艺-结构-性能关系，并且开发碳纳米管纤维的工程应用等。现有的大量研究已经表明，碳纳米管纤维在结构功能一体化复合材料、纤维状能源器件、人工肌肉以及轻质导电线缆等方面具有非常广泛的应用前景。然而遗憾的是，从纳米尺度的单根碳纳米管到宏观尺度的碳纳米管纤维，碳纳米管在力、电、热等性能上发挥的效率甚至不到10%，限制了碳纳米管纤维的工程化应用。理解和明晰碳纳米管纤维的工艺-结构-性能关系是进一步提升碳纳米管纤维性能的关键。

　　中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员李清文团队自2007年成立以来，在碳纳米管纤维领域开展了大量的基础研究与应用开发工作。近期，该团队应邀在《先进材料》（Advanced Materials）期刊撰写综述文章（DOI:10.1002/adma. 201902028），系统回顾过去近二十年来人们在碳纳米管纤维基本物性研究方面开展的工作，并对碳纳米管纤维未来的发展关键做了展望。

　　回顾碳纳米管纤维的发展历程可以发现，我国在国际上较早开展碳纳米管纤维研究。2000年，法国科学家首次报道了通过湿法纺丝工艺，制备碳纳米管含量高达50%以上的连续纤维材料，拉开了碳纳米管纤维研究的序幕。2002年，清华大学教授吴德海团队和美国伦斯勒理工学院教授P. M. Ajayan合作，首次报道了利用浮动化学气相沉积方法制备直径约为300至500微米的碳纳米管束，其长度达到20厘米；同年，清华大学教授范守善团队首次报道了从碳纳米管阵列拉丝制备碳纳米管纤维的方法；2004年，我国科学家李亚利在英国剑桥大学访学期间，与Alan Windle教授合作，实现了浮动催化化学气相沉积法连续制备碳纳米管纤维。期间，美国科学家报道了湿法制备纯碳纳米管纤维工艺。2018年，清华大学教授魏飞团队报道了厘米级碳纳米管管束，其强度达到80 GPa。总体来看，自2000年左右科学家成功实现碳纳米管在宏观尺度的纤维组装后，碳纳米管纤维的研究迅速兴起，并在20年的发展中大体经历了三个发展阶段：（1）碳纳米管纤维纺丝方法的探索阶段——基于凝固过程的湿法纺丝、利用碳纳米管垂直阵列的抽丝纺纱以及基于生长过程预形成碳纳米管凝胶的直接纺丝成为当前最主要的制备方法；（2）针对碳纳米管纤维宏量连续制备、基本性能提升以及功能特性开发的快速发展阶段；（3）当前碳纳米管纤维的发展已进入到产业应用的攻关阶段，如何啃下硬骨头需要科研工作者以及产业界的共同努力。

　　基于不同的纺丝方法，碳纳米管纤维展现出极为丰富的组装结构。相比于其微观结构，碳纳米管在纤维中的取向度、紧密度、纠缠度，在纤维径向的分布差异、表面形貌等结构特性更加决定了纤维的宏观物性。更为重要的是，如果在改进纤维组装结构的基础上，对管间的力、电、热的传递进行有效调控，是提高纤维性能、充分发挥单根纳米管性能的关键所在。

　　在该研究进展的综述中，作者分别对碳纳米管纤维的力、电、热性能进行了全面的阐述。在力学性能方面，目前可以通过溶剂致密化、机械致密化、逐级牵伸、纤维内引入聚合物网络结构、管间诱导共价连接等方法实现纤维断裂强度和弹性模量的显著提升。另一方面，纤维内极为丰富的界面结构带来了多样化的能量耗散过程，使得碳纳米管纤维（以及薄膜和复合材料）展现出传统碳纤维所不具备的阻尼、蠕变等动态力学特性，实现了刚柔并济的双功能结合。此外，纤维的纱线结构以及独特的柔性，则在旋转驱动、生物电极等领域展现出独特的优势。

　　碳纳米管纤维还是优良的“导”体。在导电特性上，通过掺杂手段拓宽管间电子跃迁通道后，纤维在比电导率性能上有望超越金属导体的极限，在轻量化导线方向展现出发展优势；而通过与金属的复合，基于碳纳米管快速导热的性能，能够大幅度提高复合导体的极限载流能力，在未来超大电流的应用中有望取代传统金属导体。在导热特性上，由于独特的组装特性，纤维表面的热辐射尤为显著，导致在实际测量中表观热导率与实际热导率间存在巨大差异，并且前者随样品尺寸增加而快速发散。为此，除了优化纤维结构以改进管间声子输运之外，进一步发展测试方法也是碳纳米管纤维导热研究的重要内容。

　　在该综述中，作者分别对力、电、热性能相关的理论研究进行了介绍，指出未来纤维性能的进一步提高以及产业化实现的基础，依然在于对加工—结构—性能三者内在关系的深入认识。尽管碳纳米管纤维物性已有一系列突破、器件应用取得多项成功，从源头重新认知纤维的纺丝工艺过程依然显得尤为必要。

苏州纳米所发表碳纳米管纤维研究综述

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半导体碳纳米管(s-CNTs)是构筑下一代CMOS器件与集成电路的理想沟道材料之一。然而，制备晶圆级高密度和高均匀的s-CNT取向阵列仍是一项具有挑战性的工作。近年来，基于溶液后分离策略的取向阵列制备技术取得了突破性进展，在双液相界面的限域空间内，s-CNTs可以在衬底提拉过程中自组装为高密度平行阵列。在这类取向自组装过程中，s-CNT的本征特性的差异和试验环境均会对最终结果产生很大的影响。比如在已报道的几个成功案例中，s-CNT的长度从400nm到3000nm不等。半导体碳纳米管的长度和长度分布究竟如何影响取向组装过程，其内在机制尚未得到系统地研究。

      中科院纳米所邱松/李清文团队开发了一种超声截短结合超细硅胶吸附的方法，实现了半导体碳纳米管的长度控制与长度分选。并进一步系统研究和比较了不同长度分布的几组s-CNT在液-液界面的取向自组装过程。结果表明，几个长度对照组的s-CNT都能在4英寸氧化硅衬底上形成大范围的取向阵列。但不同对照组s-CNT取向阵列中的缺陷形态与缺陷密度各不相同。含有超长碳管（大于2μm）的“对照组”在取向过程中，容易形成长碳管的弯曲缺陷，并对后续取向区域造成较大范围的影响；而含有较多超短碳管（小于160 nm）的“截短组”在取向过程中，会产生众多的小尺度缺陷，造成小范围的畸变影响。经过有效去除了超长碳管和超短碳管的“长度控制组”中，在大尺度范围上获得了最佳的取向均匀度和取向密度（100 s-CNTs/μm），同时该取向阵列中的缺陷密度也最低。对相关结果通过FET器件进行了验证，发现基于“长度控制组”碳管阵列制备的晶体管器件，其开态电流密度比未经过长度分选的“对照组”高出了64%。本文的工作系统比较了半导体碳纳米管的长度分布情况对液-液界面内取向组装过程的影响，有助于增进我们对纳米尺度自组装过程的理解，推进了半导体碳纳米管材料在纳电子领域的应用。
       文章信息:H. Wen, J. Yao, Y. Li, et al. Length-dependent alignment of large-area semiconducting carbon nanotubes self-assembly on a liquid–liquid interface. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4782-8.

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赝电容对于超级电容器能量密度的提升具有很大的前景。获得高性能储能的关键在于构建具有很好相互连通的开孔结构赝电容电极。然而，如何实现赝电容电极结构的一致性规模化构筑以及高活性材料负载下的快速离子/电子传输，仍然具有较大的挑战。
　　近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文研究员、张永毅研究员，河南理工大学杨政鹏教授提出以木棉衍生的薄壁、高微孔率、高比面积、丰富杂原子掺杂、适当弯曲的准二维碳瓦片（CT）作为独特的骨架支撑，通过墨水3D打印策略制备出了一种新型CT-单壁碳纳米管（SWNT）-NiCo2O4赝电容电极。3D打印的电极结构中，CTs和SWNTs耦合形成了大量相互连接的多级孔和连续导电网络，实现了活性材料NiCo2O4的均匀和高质量负载，同时确保了畅通无阻的离子扩散通道和充足的电子传输路径。得益于电极结构的独特特点，组装的非对称超级电容器具有高比电容和能量密度以及突出的长期循环稳定性。值得注意的是，即使在电极厚度较高时，器件仍然能表现出优异的电化学储能性能。这项工作为构建具有高容量和高功率密度的赝电容电极结构提供了新策略。

　　　　图1. CT-SWNT-NiCo2O4赝电容电极的制备过程示意图

　　相关成果以3D printing of carbon tile-modulated well-interconnected hierarchically porous pseudocapacitive electrode为题发表在国际期刊Energy Storage Materials上。该研究获得国家自然科学基金（51862035, 52062048）等项目的资助。河南理工大学杨政鹏、杨新银和杨婷婷为论文共同一作，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文研究员和张永毅研究员为论文通讯作者。此外，团队以多孔木棉碳瓦片为电极组装单元，层层组装了致密且具有分级多孔结构的薄膜电极，并用于高倍率的锌离子电池和超级电容器；通过3D打印技术可控构筑了柔性碳基相变无纺布、核鞘结构赝电容电极和相变储能微格，验证了其在储能、多功能织物等领域的应用，相关工作发表在ESM、Small、CEJ、AMI、JPS等期刊上（Energy Storage Materials, 2022, 49, 102-110; Small 2021, 17, 2101093; Chemical Engineering Journal, 2022, 431, 133241; Chemical Engineering Journal, 2021, 423, 130304; ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 14, 7283-7291; Journal of Power Sources, 2022, 525, 231148）。

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碳纳米管纤维（Carbon nanotube fiber, CNTF）是由大量一维碳纳米管组装而成的宏观纤维材料，其碳纳米管组装单元（CNT）在理论上具备超高的力学与电学性能，使得碳纳米管纤维展现出兼具金属纤维、高分子纤维及碳纤维的综合性优势。在多种碳纳米管纤维常用制备方法中，浮动催化直接纺丝法（floating catalysis chemical vapor deposition, FCCVD）由于具有极高的制备效率，被认为是碳纳米管纤维宏量制备的关键技术。然而，该方法制备的碳纳米管纤维存在着大量的碳纳米管弯曲、缠结及管间孔隙等缺陷，限制了纤维性能的充分发挥以及实际应用。为此，研究人员通过多种后处理手段进行浮动催化碳纳米管纤维的性能增强研究。总体而言，现有后处理手段往往只着重关注纤维中的某一类型缺陷，且关于纤维微观结构变化对纤维载荷传递与性能的影响机理尚不明晰，阻碍了碳纳米管纤维性能的进一步提升。因此，发展出可同时实现纤维再取向及致密化的综合后处理技术，已然成为高性能碳纳米管纤维研究与应用领域的关键。
　　本工作中，中国科学院苏州纳米所李清文团队开发出一种针对浮动催化法碳纳米管纤维的新型综合后处理增强策略，主要包括氯磺酸辅助牵伸取向与辊压致密，可实现碳纳米管纤维中碳纳米管取向度及管间堆积致密度的同步提升。此外，通过纤维表面及断面的高分辨SEM、广角X射线散射（WAXS）、偏振Raman光谱及BET分析等多种微观结构表征手段，揭示出纤维微观结构演变对纤维力电性能的影响及增强机理。研究表明，纤维内碳纳米管弯曲、缠结及管间孔隙等缺陷在后处理过程中得到显著降低，对纤维性能提升十分有利。进一步地，通过后处理参数优化，得到了综合性能优异的碳纳米管纤维，其中，纤维拉伸强度达到7.67 GPa，弹性模量达到230 GPa，电导率提升至4.36×106 S/m。

　　图1. 碳纳米管纤维多步后处理及相应微观结构演变示意图

　　浮动催化碳纳米管纤维的多步后处理工艺，首先为氯磺酸辅助牵伸取向过程，碳纳米管纤维原丝进入氯磺酸中，发生质子化膨胀从而降低管间范德华作用，经过牵伸取向作用及凝固浴中凝固收缩致密作用，然后进行热退火去除纤维中的杂质，最后进行辊压致密化，从而实现碳纳米管纤维取向度和致密度的同步提升。
　　多步后处理过程中碳纳米管纤维微观结构发现显著变化，纤维表面及断面的SEM和纤维断面TEM表征结果显示，氯磺酸辅助牵伸可提升纤维内碳纳米管的取向度和排列致密度，而辊压致密化处理可进一步提升纤维致密度。
　　通过密度和BET分析表征了纤维致密度及孔隙缺陷的变化情况，显示氯磺酸辅助牵伸和辊压过程均有效降低了碳纳米管纤维中孔隙缺陷，提升了纤维致密性。图3d-h通过WAXS表征了纤维中碳纳米管取向性的变化情况，图3i偏振Raman表征验证了纤维取向度变化，结果均显示纤维取向度的提升主要来自氯磺酸辅助牵伸过程，而辊压过程则可进一步少量提升纤维的取向度。
　　多步后处理过程中的不同牵伸率、牵伸速率、凝固浴成分及辊压速度条件对碳纳米管纤维力学拉伸性能的影响，从而获得了多步后处理过程的最佳处理条件，牵伸率为16%，牵伸速率为0.058 m/min，凝固浴采用二氯甲烷（DCM），辊压速率为0.5 cm/min。同时，研究团队也研究了不同处理条件对碳纳米管纤维导电性的影响。
　　经过处理条件优化，研究团队制备的高性能碳纳米管纤维具有极高的力学、电学性能，其拉伸强度达到7.67 GPa，弹性模量达到230 GPa，电导率达到4.36×106 S/m。与传统高性能纤维相比，该高性能碳纳米管纤维具有高强、高导电的综合性能优势，同时，碳纳米管纤维还展现出良好的可加工性和电热转化性能。总体而言，本工作中碳纳米管纤维的力学与电学性能均达到浮动催化碳纳米管纤维领域中的最高水平。相关工作以Carbon nanotube fibers with excellent mechanical and electrical properties by structural realigning and densification为题发表于Nano Research，中国科学院苏州纳米所吴昆杰副研究员、博士生牛宇涛及江西省纳米技术研究院博士后王彬为论文的共同第一作者，通讯作者为中国科学院苏州纳米所张永毅研究员、勇振中研究员，北京石墨烯研究院蹇木强研究员和中国科学院苏州纳米所李清文研究员。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。