面对现代化学工业对节能、绿色和环保的迫切需求,新型高效催化材料研发成为材料、化学与化工领域的热点。纳米碳材料作为活性组分或载体在多个多相催化反应中表现出了优异的催化性能,具有替代或实现金属基催化材料高效利用的巨大潜力。目前,相关研究工作主要集中在发展新型催化剂材料的制备技术及其表观催化活性的测试和比较上,而对纳米碳或碳载金属催化剂的深层次工作原理认识仍有欠缺。对催化反应活性中心的定性与定量、反应路径、反应机理和催化活性促进作用本质规律等关键科学问题,尚缺乏可靠的规律性总结和共识。对上述问题进行深入研究可以理清纳米碳及碳载金属催化剂在催化反应中的构效关系,从而提供可靠的理论规律指导高效催化剂和反应体系的构筑。因此,本文研究工作主要从金属/碳复合材料催化烷烃（乙苯）脱氢反应体系出发,针对上述关键科学问题展开工作,主要研究内容包括:（1）通过盐酸多巴胺小分子聚合和碳化的方法制备了一种新型的空心纳米球碳基催化剂HNSs,并将其应用于乙苯氧化脱氢制苯乙烯的反应体系。HNSs材料上的酮羰基官能团是乙苯氧化脱氢反应的活性中心,原位滴定法能够测得活性中心数目以及归一到单个活性中心的催化剂本征反应活性。动力学分析结果表明C-H键的活化是该反应的速率控制步骤,HNSs催化材料的高活性可能来自于其高含量的石墨氮导致的对底物乙苯较强的活化能力。（2）设计制备了一种单原子Pd/空心纳米碳球（Pd@HNSs）双功能催化剂,并利用其实现了独特的双路径乙苯脱氢生产苯乙烯的反应路线。Pd@HNSs催化剂上的Pd单原子和酮羰基分别作为乙苯直接脱氢和氧化脱氢反应的活性中心。双路径脱氢不只是直接脱氢和氧化脱氢反应的简单加和,而是二者的协同作用导致了较高的苯乙烯生成速率。在此过程中,酮羰基上的氧化脱氢反应生成了H2O产物,H2O通过促进质子转移过程降低H2生成和脱附的能垒,促进了直接脱氢过程的进行。（3）以商业oCNT为载体,通过简单的浸渍还原法制备了新型Ni-P/oCNT催化剂,实现了无过热蒸汽保护条件下的具有高活性和高稳定性的乙苯直接脱氢过程。Ni2POx组分可能是Ni-P/oCNT催化乙苯直接脱氢的活性来源,较强的氧化还原能力和较弱的EB吸附能力是该系列催化剂高活性的根本原因。（4）将HNSs的应用场景拓展到电催化方向,开发了碳催化氧化苯乙烯和CO2的电化学环加成生成高附加值的碳酸苯乙烯酯的新反应路径,并对催化剂的反应活性和反应机理进行了细致的研究。纳米碳的催化效率可以媲美类似体系中金属催化剂已达到的最佳水平。详细的结构分析和催化反应活性评价结果证明:纳米碳上含氮和含氧官能团的协同作用对提高其催化活性起到至关重要的作用。碳材料中的石墨N为离域π体系提供了额外的电子,促进了反应中的电子转移过程;吡啶N官能团可能是活化CO2的活性中心,-COOH官能团可以促进氧化苯乙烯上环氧基团的活化和开环。