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第1章 绪论1

1.1 纳米碳材料1

1.2 催化与纳米催化3

1.3 纳米碳催化6

参考文献7

第2章 纳米碳材料基础及结构表征9

2.1 纳米碳材料基础9

2.1.1 纳米碳的存在形式9

2.1.2 纳米碳的结构10

2.1.3 纳米碳的性质16

2.2 纳米碳材料结构的表征方法19

2.2.1 X射线衍射19

2.2.2 拉曼光谱分析20

2.2.3 电子显微术22

2.2.4 扫描隧道显微镜28

2.2.5 原子力显微镜29

参考文献31

第3章 纳米碳材料的表面化学与表征35

3.1 纳米碳材料的表面化学性质35

3.1.1 纳米碳材料的表面缺陷35

3.1.2 纳米碳材料的表面功能基团37

3.1.3 纳米碳材料的表面掺杂原子38

3.2 纳米碳材料的表面酸碱性39

3.2.1 纳米碳材料的表面酸性40

3.2.2 纳米碳材料的表面碱性40

3.3 纳米碳材料表面含氧基团和氮物种的定性定量研究42

3.3.1 X射线光电子能谱技术42

3.3.2 红外光谱技术45

3.3.3 程序升温脱附技术49

3.3.4 Boehm滴定技术51

3.3.5 电化学方法53

3.4 研究纳米碳材料表面基团的新方法54

3.4.1 X射线吸收谱55

3.4.2 化学滴定法60

3.5 结论62

参考文献62

第4章 纳米碳材料的修饰改性65

4.1 缺陷位修饰改性65

4.1.1 拓扑缺陷位65

4.1.2 结构缺陷位66

4.1.3 缺陷位的催化作用67

4.2 氧修饰改性67

4.2.1 氧修饰改性的方法67

4.2.2 氧修饰的催化作用71

4.3 氮修饰改性71

4.3.1 富氮碳材料及其合成方法71

4.3.2 富氮碳材料在催化中的应用72

4.3.3 氮掺杂碳材料75

4.3.4 氮掺杂碳材料的合成76

4.3.5 氮掺杂在催化中的作用79

4.4 硼修饰改性82

4.4.1 硼掺杂碳材料及其合成方法82

4.4.2 硼掺杂在催化中的作用85

4.5 磷修饰改性86

4.6 硫修饰改性89

4.7 小结92

参考文献92

第5章 纳米碳催化的理论计算101

5.1 纳米碳材料π电子性质101

5.2 纳米碳材料缺陷位的化学性质105

5.3 纳米碳材料上氧官能团的化学活性106

5.4 纳米碳材料催化剂上碳氢化合物氧化脱氢反应的理论计算112

5.4.1 活性位的确定和乙烷的物理吸附112

5.4.2 氧化脱氢的反应路径114

5.5 杂原子的作用119

5.5.1 在氧化脱氢反应中杂原子（氮、硼）对于乙烯选择性的调控119

5.5.2 硼掺杂碳纳米管作为甲烷部分氧化反应催化剂122

5.5.3 掺杂改性的碳纳米管在燃料电池氧还原反应中的催化性质和作用127

5.5.4 杂原子在氧化脱氢反应中的作用130

5.6 总结和展望132

参考文献134

第6章 纳米碳材料催化脱氢反应138

6.1 脱氢反应138

6.2 纳米碳材料催化氧化脱氢反应140

6.2.1 纳米碳材料催化烷基芳烃氧化脱氢反应141

6.2.2 纳米碳材料催化低碳链烷烃氧化脱氢反应149

6.2.3 纳米碳材料催化的其他类型氧化脱氢反应155

6.2.4 纳米碳材料催化烷烃氧化脱氢反应过程和机理156

6.3 纳米碳材料催化直接脱氢反应159

6.3.1 纳米碳材料催化直接脱氢反应类型159

6.3.2 纳米碳材料催化直接脱氢反应的活性位点和催化反应过程163

6.4 小结165

参考文献166

第7章 纳米碳材料催化选择氧化反应169

7.1 碳纳米管催化丙烯醛选择氧化制丙烯酸169

7.1.1 碳纳米管催化剂在丙烯醛选择氧化反应中的性能170

7.1.2 碳纳米管表面官能团的性质171

7.1.3 氧化处理对碳纳米管催化活性的影响172

7.1.4 氧化CNT催化选择氧化丙烯醛的活性位探讨174

7.1.5 碳纳米管催化氧化丙烯醛的机理177

7.2 掺氮碳纳米管催化丙烯醇选择氧化177

7.2.1 掺氮碳纳米管在丙烯醇选择氧化反应中的优异性能178

7.2.2 不同掺氮量对催化丙烯醇选择氧化反应的影响179

7.2.3 掺氮碳纳米管催化丙烯醇选择氧化机理180

7.3 掺氮碳纳米管催化硫化氢选择氧化180

7.3.1 掺杂氮原子对硫化氢选择氧化催化活性影响181

7.3.2 反应温度和空速对硫化氢选择氧化催化活性影响181

7.3.3 掺氮碳纳米管催化硫化氢选择氧化机理183

7.4 应用前景183

参考文献184

第8章 纳米碳催化卤化反应188

8.1 氯乙烯和聚氯乙烯188

8.1.1 氯乙烯188

8.1.2 乙炔法和乙烯氧氯化法的比较189

8.1.3 聚氯乙烯190

8.1.4 汞对环境的污染191

8.2 金属催化乙炔氢氯化192

8.2.1 金属活性规律192

8.2.2 无汞催化剂的研发195

8.3 非金属无汞催化201

8.3.1 氮掺杂碳纳米管的制备201

8.3.2 氮掺杂碳纳米管表征与分析203

8.3.3 碳催化剂乙炔氢氯化的活性208

8.3.4 密度泛函理论研究214

8.4 结语219

参考文献219

第9章 纳米碳材料液相催化作用224

9.1 纳米碳材料液相催化反应概述224

9.2 纳米碳材料催化烃类的液相选择氧化228

9.2.1 碳材料催化环己烷的液相选择氧化228

9.2.2 碳材料催化芳香烃的液相选择氧化234

9.2.3 烃类液相催化机理的原位光谱研究240

9.3 纳米碳材料催化醇的液相选择氧化243

9.3.1 碳纳米壳催化醇液相选择氧化244

9.3.2 碳纳米管催化醇液相选择氧化245

9.3.3 氧化石墨催化醇液相选择氧化247

9.3.4 石墨烯催化醇液相选择氧化249

9.4 纳米碳材料催化湿空气氧化反应250

9.5 纳米碳材料催化H2O2的液相氧化和羟基化253

9.5.1 纳米碳材料催化H2O2的液相氧化253

9.5.2 纳米碳材料液相羟基化254

参考文献257

第10章 纳米碳电催化作用265

10.1 燃料电池及纳米碳电催化265

10.1.1 氧还原电催化剂的常用评价方法265

10.1.2 纳米孔碳基电催化剂267

10.1.3 碳纳米管基电催化剂271

10.1.4 石墨烯基电催化剂273

10.2 纳米碳材料在锂-空电池中的应用275

10.2.1 金属-空气电池275

10.2.2 锂-空电池276

10.3 纳米碳材料在电催化氧化处理有机污水中的应用277

10.3.1 电催化氧化处理有机污水的基本原理277

10.3.2 纳米碳材料在阴极间接氧化中的应用278

10.4 问题与展望280

参考文献281

第11章 纳米碳材料环境催化作用285

11.1 概述285

11.2 纳米孔碳材料催化氧化NO285

11.2.1 纳米孔碳催化氧化NO机理286

11.2.2 纳米孔碳催化氧化NO影响因素287

11.3 纳米孔碳材料催化氧化H2S293

11.3.1 纳米孔碳物理／化学吸附H2S293

11.3.2 纳米孔碳材料催化氧化H2S的机理295

11.3.3 催化氧化反应的活性位297

11.3.4 纳米孔碳材料催化氧化H2S的影响因素299

11.4 展望303

参考文献304

第12章 纳米金刚石与石墨烯的催化作用308

12.1 纳米金刚石的催化作用308

12.1.1 纳米金刚石的合成308

12.1.2 纳米金刚石的微观结构310

12.1.3 纳米金刚石的表面化学性质312

12.2 纳米金刚石的表面功能化及结构调控313

12.3 纳米金刚石的催化性能316

12.3.1 甲烷裂解反应活性317

12.3.2 烃类氧化脱氢反应活性319

12.3.3 烃类直接脱氢反应活性研究323

12.3.4 电催化326

12.4 石墨烯简介326

12.5 石墨烯材料的边缘结构与含氧官能团327

12.6 石墨烯材料作为催化剂329

12.6.1 石墨烯催化329

12.6.2 掺杂石墨烯催化330

12.6.3 氧化石墨或氧化石墨烯催化332

12.7 小分子模型催化剂的应用335

12.8 石墨烯材料催化与其他碳材料催化之间的关系337

12.9 发展方向和展望337

参考文献338

第13章 纳米碳催化与金属氧化物催化的比较346

13.1 钒氧化物在氧化脱氢反应中的研究现状347

13.1.1 活性位的判定和研究347

13.1.2 反应路径和反应机理349

13.1.3 载体的作用353

13.1.4 反应活性指标：氧空穴形成能355

13.2 纳米碳材料催化剂和金属氧化物催化剂的比较356

13.2.1 活性中心的几何结构和电子结构357

13.2.2 反应路径的比较359

13.2.3 反应机理的比较360

13.2.4 钒原子和碳原子的比较361

13.3 总结和展望363

参考文献364

第14章 纳米碳催化的工业应用探索368

14.1 纳米碳材料的宏量制备368

14.1.1 碳纳米管和纳米金刚石的宏量制备368

14.1.2 纳米金刚石370

14.1.3 石墨烯371

14.2 碳纳米管的规模功能化373

14.3 纳米碳材料作为工业催化剂的独特特点374

14.4 纳米碳材料的工业成型研究375

14.4.1 传统成型方法375

14.4.2 整体式碳纳米材料催化剂376

14.5 纳米碳催化剂在烷烃脱氢反应中的放大应用探索381

14.5.1 反应条件对纳米碳催化剂催化烷烃脱氢反应活性和选择性的影响381

14.5.2 CO2和N2O作为氧化剂催化乙苯脱氢382

14.5.3 纳米碳催化及在烷烃脱氢反应中的稳定性能测试383

14.6 结束语384

参考文献385

第15章 展望388

索引391