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催化剂是现代化学工业的核心，80％以上的工业过程需要使用催化剂。高效催化剂的开发是实现绿色生产的有效途径。近年来，负载型催化剂特别是炭负载型催化剂在相关精细化工产品的生产中得到了广泛的应用，如何进一步提高炭负载型催化剂在催化反应中的活性及选择性成为影响企业生产效益的关键。因此，设计开发高效、高选择性及廉价的炭负载型催化剂具有重要的理论意义与实用价值。 围绕炭负载型复合催化剂的设计与开发，本论文采用一步高温热解法制备了氮掺杂炭与廉价金属铁(Fe2O3/Fe@CN)和钴(CoOx@CN)的复合催化剂，并成功地将该系列催化剂应用于催化析氢与加氢反应中。复合催化剂以廉价的生物质衍生物—氨基葡萄糖盐酸盐同时作为碳源和氮源，以三聚氰胺作为模板剂，与廉价金属盐混合后经一步高温煅烧制备得到。该催化剂制备工艺简单、污染少、易于大规模生产。研究发现，以该方法制备得到的催化剂中，纳米金属在炭载体上分布均匀，并形成了炭包金属的独特结构，这些特点极大地提高了催化剂的活性与稳定性。 针对Fe2O3/Fe@CN催化剂，我们设计了电解水析氢反应来考察其结构与活性的关系。研究发现，由于碳源及氮源在高温煅烧的过程中产生了部分还原气体（如H2等），这些还原性的气体原位地将部分金属氧化物还原为单质Fe，并形成独特的炭包金属Fe的结构。TEM表征发现，在炭包金属Fe的结构中存在部分缺陷，分析认为这些缺陷的存在有利于活性的提高。此外，负载在炭表面的Fe2O3和炭包覆的Fe0之间在水分解反应中存在协同作用，一方面Fe2O3能够吸附水分解所产生的OH-，另一方面Fe0则能够有效地吸附水分解产生的活泼氢，从而协同地促进水分解反应按照Volmer-Heyrovsky机理进行。电化学测试表明，以Fe2O3/Fe@CN作为电催化剂，在电流密度达到10 mA/cm2时，超电势仅为0.33 V。此外，稳定性测试表明，该催化剂在稳定运行30000秒后，活性没有明显下降。 针对CoOx@CN催化剂，我们设计了三甲基苯醌(TMBQ)选择性加氢制备三甲基氢醌(TMHQ)反应来考察其结构与活性的关系。与Fe系催化剂类似，在Co系催化剂中同样形成了炭包Co的结构，Co在炭材料表面的分布更加均匀，其平均粒径在9nm左右。在TMBQ的选择性加氢反应中，CoOx@CN催化剂表现出优异的催化活性及选择性，如在100℃，2 Mpa氢气压力的条件下，TMBQ的转化率能达到92％，TMHQ的选择性大于99％。通过设计相关条件实验，从实验上验证了单质Co为反应活性中心。通过DFT计算，对加氢反应过程进行了系统地研究。理论计算结果表明:第二步加氢后的产物(TMBQ-2H)在催化剂上的脱附能垒(0.33 eV)低于其过度加氢过程的能垒(0.57 eV)，使得TMBQ-2H更倾向于脱附，避免了被过度加氢，从而提高了反应的选择性。 综上，本论文采用一步热解法制备了廉价金属铁和钴与氮掺杂炭的复合催化剂，并成功地将该系列催化剂应用于催化析氢与加氢反应中。该系列催化剂具有纳米金属尺寸小，分散性好，以及炭包金属等特点，这些特点极大地提高了催化剂的活性与稳定性。本论文的成果，为廉价金属催化剂的制备和应用提供了经验。