Advances in the synthesis and scalable manufacturing of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) remain critical to realizing many important commercial applications. Here we review recent breakthroughs in the synthesis of SWCNTs and highlight key ongoing research areas and challenges. A few key applications that capitalize on the properties of SWCNTs are also reviewed with respect to the recent synthesis breakthroughs and ways in which synthesis science can enable advances in these applications. While the primary focus of this review is on the science framework of SWCNT growth, we draw connections to mechanisms underlying the synthesis of other 1D and 2D materials such as boron nitride nanotubes and graphene.

Nanotubes to Order To exploit carbon nanotubes fully in electronic applications, one needs to be able to separate or synthesize either all semiconducting or all metallic tubes. However, unbiased synthesis conditions produce a mixture containing two-thirds semiconducting tubes and one-third metallic tubes. Harutyunyan et al. (p. 116 ) show that altering the carrier gas and temperature, in combination with oxidative and reductive species during the synthesis process modifies the catalyst particles during synthesis, which leads to the selective growth of metallic single-walled carbon nanotubes. Thus, the shape and morphology of the catalyst seeds can be tuned to grow carbon nanotubes of a specific chirality.

Abstract Carbon is a critical material for existing and emerging energy applications and there is considerable global effort in generating sustainable carbons. A particularly promising area is iron‐catalyzed graphitization, which is the conversion of organic matter to graphitic carbon nanostructures by an iron catalyst. In this paper, it is reported that iron‐catalyzed graphitization occurs via a new type of mechanism that is called homogeneous solid‐state catalysis. Dark field in situ transmission electron microscopy is used to demonstrate that crystalline iron nanoparticles “burrow” through amorphous carbon to generate multiwalled graphitic nanotubes. The process is remarkably fast, particularly given the solid phase of the catalyst, and in situ synchrotron X‐ray diffraction is used to demonstrate that graphitization is complete within a few minutes.