在传统工业催化领域中,催化材料主要为金属或者金属氧化物,但是由于其不可再生性以及对环境的污染性等潜在的弱点,使得开发出具有可替代性的绿色、可持续催化剂体系成为近些年来研究的热点与重点。纳米碳材料因其独特的物理化学性质,在一定程度上可直接替代金属催化剂而被广泛地应用到催化领域。在诸多纳米碳材料中,纳米金刚石及其衍生物,包括sp2/sp杂化的巴基型纳米金刚石(BND)与sp2杂化的洋葱碳(OLC)等有着比传统碳材料更独特的物理化学性质而引起越来越多的重视。本文系统地研究了该类纳米碳材料与其它典型碳材料物理化学性质的区别,并对其进行杂原子改性,重点考察杂原子对材料的电子结构、微观结构等方面的影响,并以五种典型催化反应(包括氧化、还原反应)为探针,系统评价其催化性能,理解该类材料在催化反应中的作用本质,具体内容包括：(1)基于BND特殊的sp/sp核壳结构与表面的含氧官能团,采用三种不同的合成途径制备氮改性BND(即N-BND),并对合成过程中氮物种的形成及其可能的演变行为进行系统探讨,认识了材料表面较为详细的氮物种形成过程。以芳香醇选择性氧化制芳香醛为探针反应,发现N-BND比未掺杂BND以及其它常见的几种纳米碳材料表现出更好的催化性能,底物芳香醇的反应速率与催化剂表面吡啶型氮物种的含量有较好的线性关系,进一步通过有机小分子模型催化剂证明了吡啶型氮缺陷可能是反应的活性位。(2)采用硝酸预氧化、氨气后处理等两步法制备氮掺杂洋葱碳(N-OLC),并对其物理化学性质进行系统的研究。实验中选取苯乙烯环氧化制环氧苯乙烯反应为研究对象,研究结果表明N-OLC表现出较为优异的催化活性与稳定性,其性能甚至超过已报道的金、钴基催化剂。借助X射线光电子能谱(XPS)、拉曼(Raman)以及含氮模型小分子催化剂,环氧化反应的活性中心被识别,并在此基础上提出了可能的催化反应途径。(3)以硼酸为硼源,采用简单的高温热扩散方法一步可控的制备出富硼掺杂的洋葱碳(B-OLC),所得掺杂材料中硼原子含量在0.63 at%-4.57 at%之间。系统的研究了硼原子的引入对OLC的电子结构、微观结构等方面的影响,包括材料的功函数、态密度、价带边以及类石墨烯结构等。以电催化氧气还原反应(ORR)为催化评测对象,发现B-OLC的电子转移数接近商业Pt/C电极,同时具有更好的抗甲醇能力和长时间稳定性。此外,采用物理表征手段对ORR机理进行探索,结果表明材料的功函数、价带边以及态密度等与电子转移数有直接的线性关系。(4)将B-OLC以及新合成的硼掺杂碳纳米管(B-CNTs)应用到液相氢转移反应中,以二十种芳香类硝基化合物作为反应探针分子,研究发现晶格型硼物种BC3在提高催化性能以及有效利用N2H4方面起到了重要的作用。该催化反应为进一步扩大硼改性碳材料的应用范围提供了参考。(5)将未作任何改性的OLC直接作为非金属催化剂应用到取代型苯酚类氧化反应中。该系列催化剂表现出较好的催化活性与稳定性,甚至在某些底物反应中高于已报道的金属催化剂以及工业均相强酸催化剂(H2SO4基)。借助XPS、Raman、含氧模型催化剂以及第一性原理计算,发现zigzag缺陷在稳定中间产物苯氧自由基过程中起到了决定性的作用。