自碳纳米管（Carbon nanotubes,CNTs）问世以来,由于其优异的机械、光学、化学和电学性能,使得碳管在物质传输、能量储存与转换、化学分离和水处理等领域具有广泛的应用前景。碳纳米管天然的一维管状结构以及原子级光滑的侧壁为物质的快速传输提供了独特的便利,因此研究水系物质在碳纳米管纳米孔道中的运动与输运行为具有重大的理论与实际意义。然而碳纳米管固有的高疏水性使得水系物质很难进入碳纳米管内部的孔道中,这在很大程度上限制了纳米孔道的快速物质输运以及相关水处理方面的应用。此外常见的无规碳纳米管粉末易缠绕和聚集,难以形成规则的孔道结构,阻碍碳管快速输运物质,无法满足快速高效分离应用的需求。基于以上讨论,本论文以具有特定孔道结构的碳纳米管阵列（海绵）为研究对象,通过制备不同结构的垂直取向碳纳米管阵列（Carbon Nanotube Array,CNTA）和三维多孔碳纳米管海绵（Carbon Nanotube Sponge,CNTS）,借助电活化,聚多巴胺修饰以及与丝素蛋白复合等共价和非共价功能化方法实现CNTs阵列（海绵）纳米孔道的亲水功能化,研究了碳管内间隙水通道的形成,水,小分子染料,自由离子等在不同碳管间隙纳米孔道中的输运性质,以及选择性吸附与解吸附等行为,探索CNTs阵列（海绵）在吸附分离,太阳能蒸馏等水处理方向的应用。具体内容如下:（一）通过化学气相沉积法（CVD）制备了三维网络结构的碳纳米管海绵（CNTS）和垂直取向碳纳米管阵列（CNTA）。从共价和非共价功能化两种策略出发探索CNTs的不同亲水改性方法,包括电活化处理、聚多巴胺包覆和丝素蛋白复合。（二）采用电活化方法对致密化垂直取向碳纳米管阵列（DCNTA）进行亲水活化处理,致密化碳纳米管阵列机械强度高,提高了纳米孔道的机械稳定性。在此基础上研究了离子通过致密化垂直碳纳米管阵列膜的输运行为,证实了电润湿效应可以很好地促进水通道在DCNTA间隙纳米孔道中的形成,进而大大加速水性离子在DCNTA纳米孔道中的传输速率。（三）采用聚多巴胺（Pdop）对碳纳米管阵列以及三维多孔碳纳米管海绵（CNTS）的纳米孔道进行亲水功能化修饰,在此基础上研究了亲水性钙黄绿素分子（药物模拟分子）在垂直排列的碳纳米管阵列（CNTA）管间纳米通道中的传输行为,以及Pdop/碳管海绵对带电染料分子的选择性吸附和解吸附行为。结果表明亲水性聚多巴胺涂层的引入,大幅度增加了钙黄绿素分子在Pdop-DCNTA膜中的表观扩散系数,为未来该体系应用于药物小分子快速传输与可控释放方面奠定了基础。利用聚多巴胺对酸碱度敏感特性,使在不同pH值范围内选择性吸附带正电荷或带负电荷的染料分子,同时研究了碳管海绵孔道内部的离子可控释放行为。（四）利用Pdop的亲水性和CNTS吸收太阳光的特性,我们研究了基于Pdop-CNTS复合材料纳米孔道中水分子的输运行为和相变行为,在此基础上讨论了其在太阳能水蒸发方面的应用。结果发现,Pdop-CNTS中丰富的羟基和氨基与复合材料中的水形成了氢键,改变了水的结合方式,降低了 Pdop-CNTS复合材料中水分子由液相转变为气相的热焓值,同时碳纳米管良好的吸光性能大大提升了光-热转化效率,最终大幅度提高了 Pdop-CNTS复合材料的光热水蒸发速率。相比纯水的光热水蒸发速率0.16 kg m-2 h-1,Pdop-CNTS的光热水蒸发速率高达2.7 kg m-2h-1,提高了将近17倍。（五）利用富含氨基的天然亲水性高分子丝素蛋白和碳纳米管海绵、碳纳米管阵列构建丝素蛋白-碳纳米管三维多孔支架,研究了复合材料纳米孔道中水分子的液-气相变行为。实验结果表明,丝素蛋白的存在降低了 SF-CNTS和SF-CNTA中水由液相转变为气相所需的能量,同时碳纳米管良好的吸光性能大大提升了光-热转化效率,使得SF-CNTS和SF-CNTA的光热水蒸发速率大大提高。且具有垂直结构的SF-CNTA的水蒸发速率要大于三维网络结构的SF-CNTS,说明SF-CNTA的垂直取向结构更有利于水在材料的纳米孔道中快速运输,使得水能够更快的运输到光热水蒸发界面。