碳纳米材料以其优异的光学、电学、力学特征和化学稳定性,在很多领域中有着广泛应用,如新能源、信息、环境、生物、航空航天等。深入揭示和理解碳纳米材料的成核和生长机制是实现碳纳米材料可控合成和功能化的基石。通常人们利用透射电子显微学、拉曼光谱学方法等,结合制备方法和计算来推测其生长机理,然而这些过程都是在生长完成以后进行的,不能实时反映碳纳米材料成核、生长的过程。环境气氛透射电子显微镜（Environment Transmission Electron Microscope,ETEM）可以在原子尺度原位研究原子迁移演变过程等,为实现高时空分辨率的碳纳米材料成核和生长演化及表征提供了基础,但是自催化碳纳米材料的可控生长及机理还有待深入研究。本论文以金属酞菁为催化剂前驱体和固体碳源,通过ETEM在原子尺度上原位研究催化剂、温度等影响碳纳米材料成核生长的演化过程及规律,揭示界面调控碳纳米材料成核、生长的机理,为进一步实现碳纳米结构材料可控制备奠定基础。具体研究成果如下:（1）开展了 ETEM对钴酞菁（CoPc）原位热解研究,发现了温度对碳纳米结构及生长模式的影响规律,揭示了温度调控界面碳纳米结构的生长机理。研究发现,不同温度碳纳米结构的生长模式不同,即底端生长或顶端生长,高温时以较大催化剂纳米颗粒（～20 nm）顶端生长竹节碳纳米管为主,而低温时以较小催化剂纳米颗粒（～10 nm）底端生长石墨壳层为主。850℃时的平均生长速率为131.3 nm/s,是750℃下的60倍左右。结果表明,较高的温度有利于降低催化剂纳米粒子与基底之间的相互作用力。当温度高于顶端生长的临界温度时,Co3C纳米颗粒对碳纳米壳层的推力可以克服Co3C纳米颗粒与基底之间的相互作用力,推动石墨壳层快速顶端生长,形成竹节碳纳米管,即较高的温度有利于碳纳米管的顶端生长。同时,催化剂在碳纳米结构生长过程中涉及到催化剂Co-Co3C的形成、聚合和重构过程,为碳纳米结构的可控有序生长提供了条件。（2）在ETEM中,通过对CoPc原位热解,发现了在原子尺度下石墨壳层的重组现象,揭示了 CoPc热解形成石墨壳层的成核、生长及重排的机理。结果表明,在ETEM高真空条件下,加热到850℃,CoPc提供的Co形成Co-Co3C作为活性催化剂,同时加热酞菁的原位分解可以产生足够高的碳源以生长石墨壳层。进一步的研究发现,催化剂中吸附的碳通过石墨壳层的扭曲通道迁移到石墨层的最外层,从而重构成新的石墨层。催化剂的结构动力学研究表明,在迁移碳的过程中,催化剂中的碳浓度是动态变化的,即吸附的碳不断通过石墨层的变形使碳原子迁移并重组在催化剂外层形成新的石墨壳层。该工作中利用固态碳源取代气体碳源,不仅提高了原位电镜中碳纳米管的生长效率,也解决了环境电镜中气氛不利于高分辨成像等问题,同时为其他石墨材料的可控生长和机理研究提供了新的途径。（3）通过采用ETEM对不同中心金属酞菁热解自催化生长石墨壳层的机理进行了探究,获得了石墨壳层在不同催化剂条件下的生长行为以及催化剂表/界面的动态演化,揭示了金属Ni、Co、Cu、Zn催化碳原子生长石墨壳层的动力学过程及机理。结果表明,在原子尺度下,通过对NiPc、CuPc加热850℃裂解生长石墨壳层的原位研究发现,对于Ni催化剂来说,碳原子首先扩散到金属体相,形成Ni的碳化物,达到碳饱和后扩散到表面形成石墨壳。此过程中,为适应晶格匹配,石墨壳层会在一定程度上扭曲,经分析并推测得出碳原子是沿Ni（-1-1-1）晶面析出。对于Cu催化剂,石墨壳的形成可以用表面生长模型来解释,即碳在Cu催化剂表面聚集迁移形成石墨壳。另外,进一步对CoPc、ZnPc加热850℃裂解生长石墨壳层进行了研究,发现Co与Ni,Zn与Cu生长石墨壳层的机理相似。因此,催化剂与碳的结合能不同,导致碳原子与不同催化剂的相互作用不同,使得石墨材料的生长机理不同,这一工作为碳纳米结构的可控生长提供了催化剂选择与设计指导。