一、 纳米材料的可控制备及自组装
纳米材料的性质、尺寸和形貌的控制是纳米材料的研究和应用的前提，我们课题组采用化学气相沉积法等，制备出各种结构的纳米材料，有单壁管、双壁管、多壁管和杂化的碳纳米管，以及硒化镉纳米带等纳米材料。
单壁碳纳米管 双壁碳纳米管
多壁碳纳米管 CdSe纳米带
Ti丝基底上生长的CdSe纳米线阵列
纳米材料的组装是纳米应用领域里重要的科学和技术。目前已合成出的纳米材料种类繁多，怎样将这些具有特殊功能的材料应用是纳米领域的核心课题之一。将纳米材料通过化学或物理的方法进行有序组装，是大批量制作纳米器件的前提。我们实验室通过采用化学气相沉积法，制备出类似蜘蛛网状的碳纳米管薄膜，具有高的透光性，导电性，力学性能和柔性等优异的特性。并且和哈佛大学合作，开发出一种吹泡方法，得到大面积的，均匀排列，密度可控的硅纳米线或碳纳米管薄膜。
网状碳纳米管薄膜
吹泡法制备的硅纳米线薄膜、不同形态的定向碲纳米线
二、 基于纳米材料的新能源应用
1 太阳电池
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多优异的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景尤其是电学器件方面的应用也不断地展现出来。我们课题组制备出的碳纳米管薄膜，具有很高的透光率和导电率，很好的柔性，是一种较为理想的薄膜电极材料，将碳纳米管薄膜制成纤维，也可用作纤维电池的电极材料。使用它们作为对电极，分别与晶体硅、染料敏化主电极和有机物等构建新结构太阳电池。
碳纳米管-硅太阳电池
染料敏化纤维太阳电池
有机物纤维电池
光电化学纤维太阳电池和编织太阳电池
2 超级电容器
CNT sponge直接冲压得到的电极片 CNT sponge装配的纽扣式超级电容器
采用不同厚度的CNT sponge通过冲压得到规则形状的电极片，装配了纽扣式双电层超级电容器，研究了器件在水系、有机系、粒子液体等不同电解液体系下的电容性能。目前正在开展CNT sponge复合材料在超级电容器中的应用研究。
3 锂离子电池
通过在碳纳米管内部负载金属氧化物，可以制备锂离子电池的电极材料，利用了碳纳米管海绵的多孔性和高导电性，可是实现高效率的充放电过程，制备高性能的锂离子电池。
三、 纳米材料的环境应用
多孔炭材料具有大的比表面积，很好的热力学和化学稳定，是一种理想的环境功能材料。但是一般活性炭，碳纳米管的粉末形态给其使用造成了诸多不便。本课题组与清华大学合作，可控的制备了超低密度的碳纳米管海绵状多孔宏观体，该海绵具有高的比表面积和发达的孔隙率（>99%）。由于自身的超疏水结构，海绵具有超强的油污吸附能力，可以吸附相当与自身重量的80-180倍的有机物（醇类，卤代烃，酰胺）及油类物质（汽油，食用油，真空泵油等），这使得碳纳米管海绵在油田溢油，海水表面大面积油污的处理过程中显示了很强的应用前景
四、 碳纳米材料纤维
我们利用化学气相沉积法制备出的网状碳纳米管薄膜，采用传统的纺丝工艺，将二维薄膜状的碳纳米管可控制备成一维的碳纳米管纤维，通过改变纺织的工艺，可以实现不同形式的纤维结构，比如直丝、单螺旋结构、双螺旋结构和非对称结构。这种螺旋结构可以实现大应变的拉伸（285%），具有很好的弹性性能，千次循环后不松弛，类似弹簧，在应变传感器，纤维电池，超级电容器等领域具有广阔的应用前景。目前我们还在研究更多更复杂的螺旋结构。
采用湿法纺丝的原理，通过调控工艺参数，我们制备出了连续的、形态可控的、无任何离子交联的宏观石墨烯带。这种宏观石墨烯带表现出良好的柔性，可任意地打结、编织，显示出良好的力学性能，并初步探究了石墨烯带在电学领域的应用，结果显示石墨烯带在纤维太阳能电池、超级电容器等领域具有优异的性能。
五 碳纳米管/石墨烯复合薄膜
碳纳米管薄膜和石墨烯都有各自的优势和局限性，比如碳纳米管薄膜具有更优的导电性和力学性能，但是是由众多一维碳纳米管组装的多孔网络，与硅接触形成电池的有效面积远远大于碳纳米管与硅的直接接触面积；而石墨烯是二维材料，与硅有更好的接触，形成更多的结，然而由于CVD法制备的石墨烯一般是多晶，导致石墨烯的导电性差，单层石墨烯的力学强度低，转移需要有机物支撑。
为了综合碳纳米管薄膜和石墨烯的优势，本课题组分别通过物理方法和化学方法把两者结合起来，制备出了非对称碳纳米管/石墨烯复合薄膜和刺绣型碳纳米管复合薄膜，二者均具有优异的力学性能、导电性、透光率和柔性，成为理想的透明导电电极材料。
刺绣型碳纳米管/石墨烯复合薄膜
刺绣型复合薄膜-硅太阳电池基本结构
物理法制备的非对称碳纳米管/石墨烯复合薄膜
非对称复合薄膜-硅太阳电池