探索并应用非金属催化剂,作为对传统金属基工业催化剂的补充和替代选择,具有广阔的研究空间和市场前景,近年来已经逐渐成为了学术界和工业界的共同热点。在非金属催化剂中,碳基固体酸催化剂具有酸性位种类多样、骨架具有丰富的被修饰可能性、可以调节表面亲疏水性调控对底物分子的吸附、生物相容性好并且更容易绿色地回收与降解的独特优势。碳材料表面的酸性位对负载金属活性位也起到了非常关键的作用,对酸性位的研究也会对负载金属催化剂的制备及研究金属与载体间的相互作用提供指导。本论文以碳材料上的羧基基团为目标活性位,以酸催化反应为核心应用目标,分别从尝试优化引入羧基的合成方法,探索羧基化学环境对活性位构效关系的影响,表征碳碎片化学结构以推测碳材料表面化学性质这三个角度,对羧基化碳材料(主要是碳纳米管)在酸催化反应中的应用进行了研究。得到的主要结论如下:(一)发明了一种以釜式硝酸蒸汽氧化装置为核心的气相氧化方法,不受沸点限制。通过提升氧化温度,可以在更短的时间内达到更强的氧化效果,并大幅降低了硝酸的用量。因为氧化刻蚀产生的碳碎片在气相中相对不容易脱离,能够在一定程度上抑制持续刻蚀。当氧化程度增加时,单个羧基的平均催化活性也会随之上升。羧基之间以及硝酸氧化过程中引入的硝基基团可能通过吸电子诱导效应,增强了羧基的酸强度。(二)建立了一套完整的液相反应动力学分析程序,以氧化苯乙烯的酸催化开环反应为探针,通过动力学研究测定了归一化的初始反应速率、反应表观活化能Ea、指前因子A、反应级数等动力学参数。利用指前因子A作为有效酸性位数量的替代描述因子,拟合出求取pKa值的工作曲线,首次得到了碳材料上的羧基的平均拟合pKa值,实现了对不同碳材料羧基酸强度的定量比较。推测羧基化碳材料表面可能存在两种硝基与羧基的相互作用,能够不同程度地增强羧基酸强度,导致硝基基团表现出不同的热稳定性。(三)首次非常清晰地确认了碳材料上羧基、硝基、酸酐、内酯的红外特征峰归属,并且在原位加热的条件下观测到上述官能团的热分解,以及羧基向酸酐和内酯的转化。本论文在一定程度上推进了对于碳基催化剂在酸催化反应中应用的理解,较为深入地研究了羧基酸强度与催化活性的构效关系,初步摸索并证实出了一些对于优化活性位化学环境具有指导意义的化学规律。