近年来,纳米碳材料由于其独特的理化性质而在催化领域得到了空前的发展。碳材料能够参与的催化反应种类繁多,主要集中在氧化还原类型的反应(脱氢/加氢)。目前,人们在新型纳米碳催化剂的开发和催化性能优化等方面取得了丰硕的成果,但是碳材料催化反应机理的研究则相对滞后。虽然研究人员采用TPD、XPS、化学滴定等方法尝试探索碳材料的催化活性来源和催化机理并取得了一定的成果,但是由于碳材料表面的复杂性和不确定性,上述方法很难达到分子层面。因此,本论文设计合成了一类结构确定、官能团单一的碳材料模型催化剂YPB-x并将之应用到乙苯氧化脱氢和硝基苯加氢还原反应机理的研究中。综合运用原位红外光谱、原位化学滴定、同位素标记等方法,结合动力学分析,得出了较为全面的碳催化反应机理。我们进一步将上述聚合物对碳纳米管进行原位包覆,制备了一种纳米碳/聚合物复合材料,其在乙苯氧化脱氢和硝基苯加氢还原反应中表现出了优良的催化性能。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)以3,6-二溴菲醌和1,3,5-三溴苯为聚合单体,采用山本偶联方法合成了一种具有特定组成、官能团单一(酮羰基)的共轭聚合物(YPB-x)并将其作为碳催化剂的模型催化剂用于芳烃氧化脱氢反应催化机理研究。原位滴定结果表明酮羰基官能团是碳催化芳烃氧化脱氢反应的活性中心。原位红外信息给出了工作状态活性位结构变化的直接证据。结合原位红外、同位素示踪等技术对乙苯氧化脱氢反应过程的监测以及动力学分析,我们给出了一个依赖于酮羰基/酚羟基对的氧化还原循环的催化反应机理。整个催化过程可以分为夺氢步骤和再氧化步骤,其中夺氢步骤为速率控制步骤。(2)进一步将YPB-x聚合物作为碳材料模型催化剂用于硝基苯加氢还原反应(水合肼为还原剂)动力学和催化机理研究。考察了温度、还原剂用量(HHA)、硝基苯浓度对反应速率的影响。动力学实验表明酮羰基官能团是催化此反应的活性中心。当水合肼过量时,硝基苯还原符合准一级动力学反应。结合催化剂的FT-IR分析、动力学等信息,提出了一个可能的催化反应机理——酮羰基活化水合肼生成活性还原物种[H],[H]还原硝基苯得到苯胺。其中,硝基苯生成亚硝基苯的过程为速率控制步骤。另外,通过几种典型碳催化剂的比较,得出了纳米碳催化剂的本征活性参考值(TOFYPB6=23.6h6h-1)。(3)利用聚合物单体与碳材料表面之间的πΝπ相互作用,采用原位聚合的方法将YPB聚合物原位包覆到碳纳米管(CNT-1300)表面,制备了一种新型CNT/YPB纳米复合材料。这种复合材料兼具了 YPB聚合物酮羰基密度高和碳纳米管热稳定性好的特点。CNT/YPB复合材料在乙苯氧化脱氢反应中的催化活性随YPB聚合物层包覆量的增加而升高,但本征活性几乎不变(CNT/YPB-1和CNT/YPB-2的TOF分别为1.02X 10-5 s-1和1.11×10-5s-1)。在催化硝基苯加氢还原反应中,CNT/YPB-2表现出了比YPB-6略低的表观催化活性(CNT/YPB-2,42%;YPB-6,48%),而其聚合单体及聚合反应催化剂的用量却远低于YPB-6。由此可见,复合材料的制备方法达到了提高酮羰基的利用率、降低生产成本的目的。(4)以HHT为碳材料基底,采用原位聚合的方法制备了一种HHT/YPB纳米复合材料。HHT/YPB复合材料与CNT/YPB在结构和性质方面有许多相似之处,其催化活性也随YPB聚合物层包覆量的增加而升高,说明了这种制备方法的普适性。然而,HHT/YPB和CNT/YPB在乙苯氧化脱氢反应和硝基苯加氢还原反应中的表现存在较大差异,说明碳材料基底不同,对所得复合材料的催化活性的影响也不同。