碳纳米管因其独特的一维管状结构和优异的物理化学性质,而具有广阔的应用前景。碳纳米管独特的电学性质（金属性或半导体性）与其手性结构紧密相关。为实现碳纳米管在电子器件中的应用,必须对其手性结构和导电属性进行精细控制。近年来,以钴（Co）基高熔点合金（如Co-W）为催化剂在单壁碳纳米管的结构控制制备研究中取得了显著进展,实现了高达97%的单一手性富集。然而,这类催化剂生长碳纳米管的机理仍不明晰,如催化剂的活性相、碳纳米管与催化剂之间的界面结构、碳纳米管的催化生长动力学等。基于此,本论文以揭示Co基催化剂生长碳纳米管机理为目标,利用封闭腔体的环境透射电子显微镜系统（E-cell）,在（近）常压下研究碳纳米管的生长热力学和动力学。取得的主要结果如下:（1）Co催化生长碳纳米管活性相的确定及其催化生长机理。针对Co催化剂生长碳纳米管活性相存在的争议和碳扩散机理不明,我们利用E-cell原位研究了 Co纳米颗粒在碳纳米管的孕育、形核和生长过程中的物相及结构演变。基于大量统计和严格误差分析,建立物相的可靠分析方法,并准确认定了Co生长碳纳米管的活性相为正交晶系的Co3C,且该物相在碳纳米管的各生长阶段保持不变。基于密度泛函理论（DFT）的计算表明,Co3C是碳纳米管生长过程中的热力学稳定物相,而碳纳米管生长所需的碳原子由表面和界面扩散供给。（2）Co-W和Co-Mo合金催化生长碳纳米管的活性相及碳纳米管与催化剂的界面结构。针对高熔点Co-W和Co-Mo合金催化剂生长碳纳米管机理仍不明晰这一问题,我们利用E-cell实现了碳纳米管在Co-W和Co-Mo合金催化剂纳米颗粒上的常压原位生长,从热力学角度研究了 Co-W和Co-Mo合金催化剂在生长碳纳米管过程中的活性相及碳纳米管-催化剂界面结构。基于建立的精确物相分析方法,我们确定了 Co-W和Co-Mo合金催化生长碳纳米管的活性相为立方晶系的M6C型η碳化物。此外,研究发现合金催化剂纳米颗粒在碳纳米管生长中可发生独立的转动,这表明催化剂纳米颗粒与碳纳米管之间存在弱相互作用的光滑界面且没有固定的取向关系。（3）Co和Co基合金催化剂生长碳纳米管的动力学的研究。针对压力鸿沟和催化剂成分对碳纳米管生长动力学的影响,我们原位研究了在不同温度和气体压力下Co催化剂生长碳纳米管动力学,以及Co和Co-W/Co-Mo合金催化剂生长碳纳米管动力学的差异。我们发现在一定温度范围内,压力是影响Co催化剂生长碳纳米管速率的主要因素;而在不同的生长速率下,碳纳米管的生长模式具有不同的倾向性,即在较高压力下,碳纳米管的生长速率快且倾向于顶部生长模式;而在较低压力下,碳纳米管的生长速率显著降低且倾向于底部生长模式。通过对比Co和Co-W/Co-Mo合金催化剂在常压下生长碳纳米管动力学的差异,我们发现Co-W/Co-Mo合金催化剂生长碳纳米管的速率比单金属Co催化剂生长碳纳米管的速率慢2个数量级,这表明催化剂的成分对碳纳米管生长动力学的影响显著。理论计算表明,固态Co-W/Co-Mo合金催化剂是通过表面扩散和碳纳米管-催化剂界面扩散实现碳纳米管生长所需的碳供给,而碳在Co和Co-W/Co-Mo合金催化剂上的扩散速率存在5-6个数量级的差异,从而影响碳纳米管的生长速率。