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.

Abstract Nanocomposites of interpenetrating carbon nanotubes and vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) nanowires networks are synthesized via a simple in situ hydrothermal process. These fibrous nanocomposites are hierarchically porous with high surface area and good electric conductivity, which makes them excellent material candidates for supercapacitors with high energy density and power density. Nanocomposites with a capacitance up to 440 and 200 F g −1 are achieved at current densities of 0.25 and 10 A g −1 , respectively. Asymmetric devices based on these nanocomposites and aqueous electrolyte exhibit an excellent charge/discharge capability, and high energy densities of 16 W h kg −1 at a power density of 75 W kg −1 and 5.5 W h kg −1 at a high power density of 3 750 W kg −1 . This performance is a significant improvement over current electrochemical capacitors and is highly competetive with Ni–MH batteries. This work provides a new platform for high‐density electrical‐energy storage for electric vehicles and other applications.

Ultrafast rechargeable batteries made from low-cost and abundant electrode materials operating in safe aqueous electrolytes could be attractive for electrochemical energy storage. If both high specific power and energy are achieved, such batteries would be useful for power quality applications such as to assist propelling electric vehicles that require fast acceleration and intense braking. Here we develop a new type of Ni–Fe battery by employing novel inorganic nanoparticle/graphitic nanocarbon (carbon nanotubes and graphene) hybrid materials as electrode materials. We successfully increase the charging and discharging rates by nearly 1,000-fold over traditional Ni–Fe batteries while attaining high energy density. The ultrafast Ni–Fe battery can be charged in ~2 min and discharged within 30 s to deliver a specific energy of 120 Wh kg−1 and a specific power of 15 kW kg−1. These features suggest a new generation of Ni–Fe batteries as novel devices for electrochemical energy storage. Fast rechargeable batteries made from low-cost and abundant electrode materials are attractive for energy storage. Wanget al. develop an ultrafast Ni–Fe battery with carbon/inorganic hybrid electrodes in which the charge and discharge rates are nearly 1,000-fold higher than traditional Ni–Fe batteries.

The use of conductive carbon scaffolds is efficient and effective to obtain advanced composite cathodes for lithium–sulfur batteries. However, the loading amount of mostly less than 70 wt% induces a limited energy density and the typical fabrication route involving high-temperature and elaborate process also limits the manufacturability of sulfur cathode, both of which hinder the practical application of lithium–sulfur batteries. Herein, a scalable, room-temperature, and one-step method is employed for carbon nanotube (CNT)/sulfur composite cathode, in which aligned CNTs served as interconnected conductive scaffolds to accommodate sulfur. When the loading amount of sulfur increased from 50 to 90 wt%, the tap density of CNT/sulfur increased from 0.4 to 1.98 g cm−3, and the mass/areal/volumetric capacities of the whole electrodes (CNT/sulfur composites and binders) was improved from 500.3 mAh g−1/0.298 mAh cm−2/200.1 mAh cm−3 to 563.7 mAh g−1/0.893 mAh cm−2/1116.0 mAh cm−3, respectively. The rise of sulfur content in the composite cathode renders a dramatic increase of the energy density of lithium–sulfur cells. The ultra-high loading amount of sulfur is attributed to the open, ordered, straight pore structure of aligned CNT scaffolds for the uniform distribution of fine sulfur particles. The robust sp2 carbon frameworks served as rapid pathways for electron transfer, and the large aspect ratio, good alignment, ordered packing of individual CNT in small bundles offer a low conductive percolation threshold. Consequently, the sulfur with a high loading content was efficiently utilized for a lithium–sulfur cell with a much improved energy density.

The use of conductive frameworks as the host scaffold to obtain nanostructured sulfur cathodes is an efficient way to increase the sulfur utilization for redox reaction in Li‐S batteries with large discharge capacity and high energy density. However, due to dynamical interfaces driven by phase evolution between the conductive hosts and S‐containing guests during cycling, the cathode still faces poor stability. Herein, the use of O‐/N‐containing nanocarbon as the conductive host sheds a light on the role of the dynamic interface between the carbon host and S‐containing guest for a stable Li‐S cell. The outstanding reversibility and stability of N‐doped C/S cathodes are attributed to the favorable guest‐host interaction at the electron‐modified interface, manifesting as (i) a chemical gradient to adsorb polar polysulfides and (ii) ameliorative deposition and recharging of Li 2 S on the region of electron‐rich pyridinic N and a graphene domain surrounding quaternary N. Highly reversible, efficient and stable Li storage properties such as mitigated polarization and charge barrier, high capacity of 1370 and 964 mAh g −1 at 0.1 and 1.0 C, respectively, and 70% of capacity retention after 200 cycles are achieved. Mechanistic insight into the capacity fading inspires the rational design on electrodes for high‐performance electrochemical systems.

Structural hierarchy plays an important role in the biological world and for functional materials with optimized properties and high efficiency. As promising candidates for various energy storage systems, hierarchical porous carbon/graphene materials have been intensively investigated over the past decades, while the favorable regulation of their hierarchical porosity remains a challenge. Herein, porous CaO serves as both the catalyst and template for a versatile chemical vapor deposition (CVD) of hierarchical porous graphene. The gas atmosphere during CVD and nanostructure of adopted catalysts impact significantly on the graphitization degree and hierarchical porosity of resultant materials. The as‐fabricated material exhibits abundant microsized in‐plane vacancies, mesosized wrinkled pores, and macrosized strutted cavities, thereby contributing to a strong surface entrapment, short ion diffusion pathways, rapid mass transport, low interfacial resistance, and robust framework. It is demonstrated as a favorable scaffold for lithium–sulfur battery cathodes with superior rate capability, high coulombic efficiency, and excellent stability. A high capacity of 357 (656 ) is manifested at the current rate of 5.0 C, exhibiting a 74% retention of the capacity at 0.1 C. The first use of CaO‐templated CVD growth of graphene reported herein opens up new perspectives on the effective fabrication of hierarchical porous graphene materials on metal oxide catalysts with promising applications in energy storage, catalysis, adsorption, drug delivery, and so on.

The oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) play a decisive role for the efficiency of fuel cells and metal‐air batteries. The nitrogen doped carbon materials with low cost and long durability are potential catalysts to replace precious metal catalyst for oxygen electrochemistry; however, the unexposed active sites induced by the bulk dopant atoms are hardly accessible and consequently scarcely contribute to the catalytic property. In this study, carbon nanotubes (CNTs) are selected as the platform to demonstrate the potential of full exposure of ‘active sites’ at the surface. Novel N‐doped carbon coaxial nanocables with the pristine CNTs as the core and the N‐doped carbon layers as the shell are proposed. The accessible and efficient utilization of the integrated nitrogen atoms enriched on the surface, together with the undestroyed intact inner walls, render the electrocatalyst much enhanced electrocatalytic activity and high electrical conductivity of 3.3 S cm −1 , therefore, N‐doped nanocables afford higher oxygen reduction current, ∼51 mV positively shift onset potential, low peroxide generation, as well as lower overpotential and higher current for oxygen evoluation reaction.

The Schulz–Flory distribution is a mathematical function that describes the relative ratios of polymers of different length after a polymerization process, based on their relative probabilities of occurrence. Carbon nanotubes (CNTs) are big carbon molecules which have a very high length-to-diameter ratio, somewhat similar to polymer molecules. Large amounts of ultralong CNTs have not been obtained although they are highly desired. Here, we report that the Schulz–Flory distribution can be applied to describe the relative ratios of CNTs of different lengths produced with a floating chemical vapor deposition process, based on catalyst activity/deactivation probability. With the optimized processing parameters, we successfully synthesized 550-mm-long CNTs, for which the catalyst deactivation probability of a single growth step was ultralow. Our finding bridges the Schulz–Flory distribution and the synthesis of one-dimensional nanomaterials for the first time, and sheds new light on the rational design of process toward controlled production of nanotubes/nanowires.