单壁碳纳米管作为独特的一维纳米材料,具有优异的电学、光学和力学性能,与硅相比具有电阻小、产热少等优势,被寄望于取代硅材料制备半导体芯片并实现技术超越。然而,单壁碳纳米管手性结构多样性和由此导致的电学性质差异阻碍了这一美好愿景的实现。获得结构均一的单壁碳纳米管主要有两种途径,一是对生长的单壁碳纳米管进行手性筛分,另一种是直接选择性生长特定手性结构的单壁碳纳米管,后者更为经济高效。在化学气相沉积法实现单壁碳纳米管手性可控生长的工作中,催化剂的合理设计和开发是备受关注的焦点。自上世纪九十年代以来,人们开发了多种适于生长单壁碳纳米管的催化剂。其中,催化活性及生长效率较高的是含有铁族过渡金属,包括铁、钴、镍的催化剂。铁族金属催化剂的高活性是由于它们与碳之间具有合适的结合能,有利于单壁碳纳米管的成核及生长。相比于铁族金属催化剂,其它金属催化剂虽然被证实具有催化活性,但基本局限于在平面基板上生长碳纳米管。一方面这些金属活化生长碳纳米管的机制仍然不明确;另一方面,得到的单壁碳纳米管的产量较低,难以分析催化剂组分对单壁碳纳米管手性分布的影响。为了填补这一研究空白,本工作开发了几种多孔氧化物负载的非铁族金属催化剂,并通过化学气相沉积法生长单壁碳纳米管,在提高单壁碳纳米管产量的同时,实现了特定手性结构的单壁碳纳米管的选择生长,并建立了单壁碳纳米管的手性分布和催化剂组分之间的关系。同时,本工作采用密度泛函理论计算,分析一氧化碳在无负载的钌纳米团簇和氧化镁负载的钌纳米团簇上的解离能,结果显示载体氧化镁的存在能大大降低一氧化碳在钌金属团簇上的解离能。其作用机理是氧化镁与钌之间的电子传递增强钌与碳之间的结合力,提高了钌促进碳源分解和碳管生长的催化活性。这阐释了位于“Goldilocks zone”之外的非铁族金属催化生长碳纳米管的活化机制,为利用非铁族金属催化剂放量生长手性可控的单壁碳纳米管提供了一种可行的思路。主要研究成果如下:（1）设计了一种多孔氧化镁负载的原子级分散的钌催化剂,以一氧化碳为碳源,通过化学气相沉积法生长单壁碳纳米管。通过拉曼光谱、紫外可见近红外吸收光谱、荧光光谱等表征方法对生长的碳纳米管产物进行分析,结果显示该催化剂在850 ℃左右的较高温度下可实现（6,5）碳管的富集生长。（2）制备多孔氧化镁负载的原子级分散的铑催化剂,通过化学气相沉积法法生长单壁碳纳米管,结合对化学气相沉积反应条件的调控,在700 ℃下以一氧化碳为碳源实现了直径仅为0.6纳米的具有高卷曲能的（5,4）管的选择性生长。（3）在氧化镁负载的铱催化剂生长单壁碳纳米管的直径分布较宽、产率不佳的情况下,改用氧化铝作为载体负载铱金属,对催化剂组分和碳管生长条件进行优化改进,在900 ℃的较高的生长温度下实现了小直径（7,6）管的选择生长。