碳材料作为催化剂载体和非金属催化剂，在催化领域日益受到重视。碳纳米管作为高活性催化剂，近年来在烷烃分子活化方面取得了好的进展，成为当前碳催化研究的热点之一。研究表明表面官能团对于提高碳材料的催化性能至关重要，目前大多报道是采用液相氧化性酸回流的办法在碳材料表面引入官能团。然而，液相酸氧化是一个间歇式操作过程，后续分离和干燥使得其效率不高并且难以工业放大，同时，大量的浓酸废液需要大量碱中和并带来严重污染。气相氧化方法具有许多优点并能克服以上液相方法的缺点，并且在较宽的温度范围内许多氧化性气体均可作为氧化剂。在这些氧化剂中，二氧化氮（NO₂）在较低温度下即表现出较好的活性。基于C-NO₂反应性，本论文对NO₂气相氧化碳纳米管进行了系统研究。另外，杂原子掺杂可以改变纳米碳材料的电子特性，从而改变碳材料的催化性能。特别是，氮原子掺入石墨结构后使得碳材料具备了一定的碱性，同时，掺氮使周围碳原子处于缺电子状态并减小最高占有轨道和最低未占轨道之间的带隙能量，有利于掺氮碳管与氧分子的结合以及电子从碳管到吸附氧上的转移，从而增强表面反应活性，氮掺杂碳纳米管被认为是碳催化研究最有前景的方向。基于此，本论文探讨碳纳米管氮掺杂生长过程，通过电子显微学与光谱技术细致地分析氮掺杂碳纳米管的结构与组成，并将结构参数与丙烷氧化脱氢性能及反应动力学进行关联，揭示氮掺杂对碳材料在丙烷氧化脱氢催化反应中的调变机制。论文的主要内容如下：（1）发展了一种新型NO₂气相氧化碳纳米管的方法，对表面修饰含氧官能团的碳纳米管进行了系统细致地表征并将其作为催化剂应用到丙烷氧化脱氢的反应中。研究表明，NO₂氧化有利于在碳管表面产生较多活性羰基基团和增大碳管比表面积，5%碳管质量损失率下的羰基比例和比表面积是传统硝酸回流方法所得碳管的1.5和1.3倍。该方法修饰的碳纳米管具有良好的催化性能，其丙烯生成速率优于氧气、硝酸蒸汽和浓硝酸所处理的催化剂性能。微分条件下的动力学结果表明，NO₂处理的碳纳米管上的指前因子明显高于氧气或浓硝酸处理的碳管，这与NO₂处理碳管能够产生更多更稳定的C=O有效催化活性位有关，更多的C=O基团有利于丙烷中α-H在NO₂氧化处理碳管上的吸附、产生更多的RC···H···O=CNT中间态，从而增大丙烷α-H断裂的几率最终使丙烷更快地转化为丙烯。该工作为碳纳米管以及其他碳材料的氧化处理提供了高效可行的借鉴方法。（2）采用甲苯和苯胺为碳氮源，800oC化学气相沉积合成了一系列氮含量为0¹.89atom%的多壁碳管，并采用硝酸回流纯化处理样品，获得了掺杂碳纳米管催化剂。采用多种表征手段研究了催化剂表面化学和体相结构，结果表明氮元素在掺氮碳管中均匀分布，掺氮碳管中存在多达5种含氮物种，其中石墨氮在各样品中的含量均占总氮量的40%左右；随着掺氮量的升高，碳管结构参数发生一定程度的改变，晶格间距和石墨片层曲率都有所增加，使掺氮碳管具有典型的竹节状结构，但碳原子sp²杂化方式并未发生太大改变仍然具有99.7%的sp²杂化结构；掺氮碳管与氧反应活性比商业和自制不掺氮碳管强，抗氧化性能有所减弱，但仍可在400℃以下富氧环境中使用。（3）以丙烷氧化脱氢为高温探针反应来研究掺氮碳管的催化性能。积分反应结果显示，掺氮碳管比未掺杂碳管具有更高的催化活性和良好的催化反应稳定性，丙烷转化率和丙烯选择性随碳催化剂中氮含量的增加而增加，催化活性的增加归因于掺氮对碳管本身电子结构和气相分子解离吸附的调变作用。首次用化学动力学研究了氧化脱氢反应中氮掺的作用机制，掺氮碳纳米管催化剂上丙烷氧化脱氢表观活化能较低，氧的反应级数更小；石墨氮含量（NG）的增加能够显著降低丙烷氧化脱氢反应表观活化能，获得了二者之间的关系式：E_a=117.2-32.7NG。详细的构效关系分析表明，掺氮后碳管有利于电子传递，对氧分子的吸附量更大、解离吸附更加容易，有利于碳管表面NCNT-O-H物种的氧化再生为C=O活性中心，从而促进了丙烷氧化脱氢反应。同时，掺氮增加了碳管对富电子烯烃的排斥作用，使得丙烯更加容易从催化剂表面脱附，从而减少被深度氧化的几率，保证了较高的丙烯选择性。