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碳纳米管是碳的一种同素异形体,是由一层或多层石墨烯片卷曲形成的圆柱状无缝中空管。独特的一维结构使碳纳米管具有优异的力学、电学、热学及吸附等特性,使其在复合材料、电子材料和能源材料等领域获得广泛应用。碳纳米管市场需求量快速增长,但是现阶段碳纳米管制备技术对原料纯度要求较高,造成碳纳米管制备成本偏高,严重限制了碳纳米管的实际应用范围和规模。现阶段,社会急需宏量、低成本碳纳米管制备新技术。本文以廉价的煤炭资源为原料,首次采用Fe/K催化煤热解的方式制备出形貌优良的碳纳米管。该方法中以下四个关键问题还未解决:（1）热解条件对该方法的影响规律;（2）Fe/K催化煤热解制备的碳纳米管的基本理化特征以及该过程中碳纳米管的生长机理;（3）煤中原生矿物质在煤热解过程中的变迁规律及其对碳纳米管生长的作用机制;（4）Fe/K催化剂中Fe、K组分对碳纳米管生成和生长过程的影响机制以及碳纳米管生长所需的碳源结构及其转化过程。基于此,本文以富含菱铁矿的烟煤为原料,对Fe/K催化烟煤热解直接制备碳纳米管的过程和机制进行系统研究,认识热解条件、煤中原生矿物质和催化剂中Fe、K组分等对碳纳米管产物的形貌、产率、分布及其生长过程的影响规律,建立Fe/K催化煤热解直接制备碳纳米管的生长机理。主要研究结果和结论如下:（1）热解条件对H2、CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4和C3H8等气体析出过程、产量的影响规律以及不同热解条件下气态、液态和固态产物分布的规律为:在600-900℃内升高温度,H2、CO2、CO和CH4等气体产量逐渐增加,但增幅逐渐降低,半焦产率逐渐降低,水分、气体和焦油的产率呈上升趋势;在0-30 min内延长恒温时间,H2、CO2、CO和CH4等气体产量增速逐渐降低,C2H6、C2H4和C3H8等气体产量基本不变,半焦产率略微降低,气体产率略微增加,水分产率逐渐增加而焦油产率逐渐降低;在5-20℃/min内加快升温速率,H2、CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4和C3H8等气体累计产量先增加后降低,半焦产率基本不变,气体产量先增加后降低,焦油产率逐渐降低,水分产率逐渐增加;在0-100 wt%内增加KOH添加量,H2、CO2和CO等气体产量先增加后降低,CH4、C2H6、C2H4、C3H8等烃类气体产量逐渐降低,半焦和水分的产率逐渐降低,气体产率先升高后降低,焦油的产率先降低后显著升高。（2）热解条件对原煤热解固态产物的形貌、反应活性和碳纳米管含量的影响规律为:在600-900℃内升高温度,半焦表面愈加平整,但粒径和反应活性降低,半焦热重分析DTG曲线需在更高的温度下达到最大失重速率;在0-30 min内延长恒温时间,半焦表面孔道结构逐渐消失,半焦DTG曲线达到最大失重速率所需温度逐渐升高;在5-20℃/min的升温速率内,半焦形貌相似且无明显的孔道结构,DTG最大失重速率对应温度接近;不同KOH添加量下原煤热解所得半焦中均有碳纳米管生成,但是各样品中的碳纳米管形貌各异。KOH添加量为30.0 wt%、50.0 wt%和100.0 wt%时,样品中碳纳米管含量分别为1.71 wt%、8.97 wt%和12.02 wt%。（3）KOH添加量为50 wt%时,不同热解条件对KOH催化煤热解固态产物中碳纳米管含量的影响程度为:热解温度>恒温时间>升温速率;热解温度900℃、升温速率15℃/min、恒温时间60 min是KOH催化煤热解制备碳纳米管的最优水平组合,对应样品中碳纳米管含量为10.01 wt%。不同热解条件改变煤热解气体组成和产量的能力强弱为:KOH添加量>热解温度>升温速率>恒温时间,改变煤热解气态、液态和固态产物产率的能力强弱为:KOH添加量>热解温度>升温速率≈恒温时间。（4）催化热解反应中煤中官能团结构、基体碳结构的变化过程以及碳纳米管产物的管径分布、管壁参数和端部形貌等理化特征为:在催化热解反应过程中,煤中-CH3、-CH2等基团发生不同程度转化;催化热解产物较原煤的石墨化程度升高,其Raman分析G、D两峰强度之比为IG/ID=3.0;产物中含有大量具有良好石墨晶体结构的碳纳米管,其管壁数为18-65层,层间距约为0.34 nm,直径为20-155 nm,碳纳米管终端呈开口状或呈“纳米胶囊”、“纳米角”等结构的封闭状。（5）在煤催化热解过程中,钾催化剂具有催化生成碳纳米管和刻蚀大分子结构生成碳源的双重作用。碳纳米管的生长受到“催化剂催化”和“碳纳米管自催化”的共同作用。催化剂颗粒表面的石墨烯层数逐渐降低,由外至内呈阶梯状,碳纳米管的生长过程符合“阶梯式生长”模型。（6）酸洗脱矿处理和KOH的加入对煤结构及其热解过程的影响规律为:HCl-HF-HCl酸洗脱矿处理可有效降低煤中矿物质含量,而对原煤本身的脂肪族、芳香族等有机碳结构影响较小;KOH对煤中微孔的生成和比表面积、孔体积的增加具有显著作用。在煤催化热解过程中,原生Fe矿物质在煤热解过程中由煤粒内部向煤粒表面发生迁移并在部分区域富集形成纳米Fe粒子,这些Fe粒子是催化碳纳米管生长的主催化剂。（7）煤中原生Fe矿物质催化碳纳米管生长符合Fe CO3→α-Fe→Fe3C+Graphite→CNTs机理:首先,嵌布在煤粒中的菱铁矿Fe CO3经煤中大分子芳香结构碳以及热解产生的H2、CO等还原为α-Fe;其次在高温条件下,K组分（K2CO3、K2O、K）裂解CH4、C2H6等和刻蚀煤大分子芳香碳结构产生碳原子/碳簇,这些碳原子/碳簇吸附并融入α-Fe并将其转化为Fe3C;然后,在K组分刻蚀煤粒的作用下,煤粒中Fe3C粒子被暴露至煤粒表面并相互融合,形成粒径不等的Fe3C催化剂粒子;最后,粒径适中的Fe3C粒子表面生成碳纳米管。（8）KOH催化转化原煤或半焦制备碳纳米管含量具有显著差异:未添加KOH时,原煤或半焦的热解产物中未出现碳纳米管,而加入KOH后,原煤或半焦催化热解产物中碳纳米管含量随着恒温时间的延长逐渐增加;恒温时间为30、90min时,原煤+KOH热解产物中碳纳米管产量分别为6.85wt%和10.16 wt%,半焦+KOH热解产物中碳纳米管含量分别为1.07 wt%和1.67 wt%。（9）K催化富含菱铁矿的烟煤热解过程中碳纳米管的生长机制为:煤中芳香C-C、C-H结构将K2CO3、K2O等K组分转化为单质K,然后单质K将煤中醚键C-O-C结构中的碳原子转化为碳原子或碳簇,这些碳原子或碳簇在Fe催化剂粒子的作用下生成碳纳米管,其中Fe催化剂源于煤中原生菱铁矿。