相对于传统金属或金属氧化物催化剂，纳米碳材料因其可控的酸碱性、独特的表面电子结构、良好的结构稳定性等优异的物理化学性质，在许多催化过程中都展现出巨大的潜力。近年来纳米碳催化已经逐渐成为催化和绿色化学领域内的热点研究课题。烷烃脱氢反应，如乙苯的氧化脱氢，是纳米碳催化领域研究最早也是最为深入的反应之一。当前大量相关工作主要集中在新型高性能催化剂的开发和表观活性测试上，并且取得了丰硕的成果。然而，对于纳米碳催化反应机理的研究则相对缓慢。对于碳催化烷烃氧化脱氢反应的若干关键核心问题，如:活性位定性和定量、反应动力学模型、分子尺度上的反应机理和催化剂构效关系等，领域内尚未达成共识的结论。这些基础问题研究的缺失不仅阻碍了研究者们进一步认清纳米碳催化作用的本质，也限制了高性能纳米碳催化剂设计研发的快速发展。因此，本人在博士期间的研究工作从纳米碳催化乙苯脱氢反应出发，以化学滴定和原位谱学表征为技术基础，对上述碳催化涉及的核心基础问题开展了细致的系列研究工作，主要内容包括:　　(1)自主设计开发新颖的化学滴定方法，实现纳米碳材料表面主要含氧官能团的定性和定量。利用不同的滴定剂（有机小分子苯肼，溴苯乙酮和苯甲酸酐）与纳米碳表面主要的三种氧官能团（酮羰基、羧基和羟基，占碳材料表面含氧量的90％以上）之间的高选择性定量反应实现碳材料表面酮羰基，羧基和羟基基团的定量。进而通过对初始纳米碳及其滴定衍生物的催化活性对比，在领域内首次通过直接的化学证据证明酮羰基基团是碳材料表面催化烷烃氧化脱氢反应的活性中心。　　(2)原位化学滴定方法测定和比较纳米碳催化乙苯氧化脱氢反应的本征活性(转化频率，TOF)。利用自行搭建的原位滴定反应装置，实现了反应条件下对催化活性中心数目的定量。原位滴定过程中能够直接观察到纳米碳催化剂活性随滴定剂消耗量的变化，基于二者之间的线性负相关关系，可以测定归一到单个活性位的催化剂本征活性。对比不同曲率的纳米碳材料（石墨烯、碳纳米管、洋葱状纳米碳）可以发现它们的本征活性几乎一致。这一结果是领域内首次实现对不同碳催化材料本征活性的客观比较和评价，为高效碳催化材料的设计制备打下基础。　　(3)利用经典动力学和原位谱学分析方法归纳碳催化乙苯氧化脱氢反应动力学方程，总结反应机理，在分子尺度上描述纳米碳催化反应路径。系统考察乙苯转化速率随反应物（乙苯和氧气）分压、反应温度、重原子标记底物（动力学同位素效应）的变化规律。结合程序升温表面反应，基于经典反应动力学理论提出纳米碳催化乙苯氧化脱氢反应的基元步骤和反应动力学模型（反应速率方程），并拟合实验结果获得了各基元步骤的速率常数和平衡常数等重要物理化学参数，实现了对未知条件下催化剂本征活性的精确预测。　　(4)综合利用上述动力学分析手段，测试比较氮掺杂、硼掺杂与未掺杂碳纳米管的本征催化活性，总结氮元素掺杂对纳米碳氧化还原催化活性的影响规律。动力学分析结果表明，氮掺杂和未掺杂的纳米碳样品在不同条件下的速率控制步骤并不一样。对于氮掺杂纳米碳材料，主要优势在于优异的氧气活化能力和碳氢键活化能力，在贫氧或乙苯充足的情况下均能充分发挥优势;然而氮掺杂纳米碳较差的乙苯结合能力则使其在低乙苯分压条件下反应速率略有下降。　　(5)利用纳米碳催化材料构效关系规律，设计制备碳化钼/纳米碳复合催化材料，并将其应用于乙苯直接脱氢反应。以钼酸铵和氮功能化洋葱转纳米碳为前驱体，通过简单的浸渍法和碳化处理制备了碳化钼/纳米碳复合催化材料。其在乙苯直接脱氢反应中展示出优良的催化活性和稳定性。动力学和催化剂结构分析结果表明碳材料活性提高的根本原因是碳化钼有效地提高了活性中心的亲核性，亦即碳氢键活化能力。