单壁碳纳米管(SWCNTs)具有优异的性能和诸多领域可预见的应用,尤其在半导体元件、光电器件、纳米电子器件等领域,因而备受全世界的关注。大多数SWCNTs在电子器件方面的应用对其密度、直径、导电能和手性等方面有一定的要求,然而目前制备的SWCNTs的结构多样,电学性能各异。制备决定未来,制备窄手性分布的SWCNTs对于实现其在纳电子器件方面的杀手锏级应用至关重要。在众多合成SWCNTs的方法中,化学气相沉积法由于其成本低、可控性高等优势,被公认为实现大规模生产结构可控SWCNTs最有潜力的方法。在SWCNTs的生长过程中,催化剂对于控制其成核热力学及生长动力学发挥着重要的作用。因此,催化剂是碳纳米管生长的成核中心,对碳纳米管的生长速度、管径大小、手性以及形貌结构的影响都是通过改变催化剂的状态来实现的。因此,开发高性能的催化体系,对制备出结构和手性分布较窄的SWCNTs至关重要。本论文从催化剂的设计出发,开发了不同催化剂和载体,结合反应条件的调控,制备了窄手性分布的SWCNTs,并对其结构进行了系统的表征并探索了 SWCNTs在海水淡化方面的应用,主要研究成果如下:(1)以硅化铁(FeSi)为催化剂,一氧化碳(CO)为碳源,通过化学气相沉积法合成窄手性/直径分布的SWCNTs。在碳纳米管生长过程中,铁原子迁移到FeSi表面并形成尺寸均匀的Fe纳米颗粒,进而催化SWCNTs的生长。由于在SWCNTs生长过程中,Fe纳米颗粒保持固态并且SWCNTs以垂直模式进行生长,有助于制备窄手性分布的SWCNTs。对800℃生长的产物进行表征显示,(12,6)SWCNTs的含量占40%以上。富集(12,6)SWCNTs的一方面原因是大多数稳定的Fe催化剂都暴露出具有准六重对称的(111)面,有利于与对称性匹配的(2n,n)SWCNTs的成核。另一方面,(2n,n)SWCNTs在催化剂界面上具有较多的活性位点,生长速率较其他手性角的SWCNTs要高。这项工作首次使用硅化物催化生长出了 SWCNTs,为SWCNTs的手性选择性合成开辟了一条新途径。(2)设计并开发了一种氧化镁(MgO)负载的钴(Co)固溶体催化剂,在较高反应温度下通过采用CO作碳源,实现了高质量、窄直径/手性分布的SWCNTs的制备。在反应条件下,只有少量的Co离子被还原并迁移到载体表面,并被未还原的Co离子所锚定,形成尺寸均匀的Co纳米颗粒,从而催化SWCNTs的生长。通过高分辨透射电镜和热重分析表征表明生长SWCNTs的质量很高。同时,拉曼光谱、吸收光谱和荧光光谱表征显示,将生长温度从700℃升高到800℃,SWCNTs的手性选择性从(6,5)转变为(7,5)SWCNTs。此外,系统的研究表明,催化剂中Co的含量、催化剂的煅烧时间和温度,对合成的SWCNTs的手性分布几乎没有影响,证实了 MgO负载的Co催化剂的鲁棒性。(3)利用上述合成的SWCNTs制备SWCNTs膜并应用于海水淡化。采用1 kw/m2的太阳能模拟光源照射样品,纯化处理后的SWCNTs膜实现了 56.6%的太阳能转换效率,高于未处理的原始碳纳米管膜,表明纯化后的SWCNTs具有更好的光吸收能力和有效光热转换能力。通过接触角测试,发现分散于去氧胆酸钠溶液中的SWCNTs,抽滤成膜后具有很好的亲油疏水性,为后续实现海洋油水分离和提高海水淡化效率提供了新的选择。