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碳纳米管(CNTs)具有高比表面积、耐酸碱、化学性质稳定、易于改性和表面功能化等优点，是一种优异的催化新材料，不仅在光电催化、能源储存等领域大放异彩日益受到重视，也被广泛用作催化剂载体和非金属催化剂应用于多相催化氧化反应中。目前文献中报道的关于各式各样的碳纳米管催化剂，其主要依托于选择不同合成策略以及依赖不同前驱体的更换。因此，选择适宜的前驱体、开发一种高效简易的制备策略对合成具有独特结构和高催化性能的碳纳米管催化剂尤为重要。
三聚氰胺是化工行业中一种常见的廉价原料，作为一种富氮(N含量66.7%)的有机化合物，在含氮碳材料的合成中作为氮前驱体被广泛使用，因此利用高温热解三聚氰胺前驱体成为了制备杂原子氮掺杂碳纳米管的常用选择。此外，采用过渡金属盐作为金属来源和柠檬酸为金属络合剂及额外碳源，能够辅助协调金属包封结构的构筑和形成。一般来说，掺杂的杂原子N与过渡金属原子形成的配位结构能够提供大量的M-N活性中心，同时这种高效特殊的活性物种能够被包封在具有独特竹节状结构的碳纳米管中，有效提升了活性中心的稳定性。然而，由于包封结构不完整和缺乏有效的调节包封金属及氮含量的措施，导致包封金属含量以及氮含量与催化活性之间的关系尚未明确。为此，开发一种具有较好包封结构的催化剂以及确定包封金属含量及氮含量与催化性能之间的关系是非常必要的。本文基于上述讨论，全面系统的探究了以三聚氰胺、柠檬酸和过渡金属盐为前驱体，通过一锅法制备出具有高催化性能的碳纳米管催化剂并通过各种表征对其进行分析。主要研究内容为：
1)三聚氰胺作为主要氮源和碳源在热水中易溶解，且能与柠檬酸发生官能团自组装。以去离子水为溶剂，在水浴加热的条件下溶解三聚氰胺，再利用柠檬酸的络合作用将不同含量的金属离子和自组装后质子化的三聚氰胺同时络合形成均相络合沉淀，然后程序升温至900℃焙烧，形成具有包封结构和高比表面积的不同金属含量N掺杂竹节状结构碳纳米管复合催化剂(Co@CNTs-X)。经过对金属含量的探究，并通过TEM分析结果表明，金属含量的提升有助于促进碳纳米管的生长。和其他不同金属含量的碳纳米管相比，在金属含量为0.8g时，形成了大量稳定高效的N掺杂的具有竹节状金属包封结构的碳纳米管。此外，实验结果表明，在分子氧和无溶剂条件对乙苯进行选择性氧化反应中，所得到的Co@CNTs-0.8催化剂展示了优异的催化性能，乙苯转化率为63.7%，苯乙酮的选择性为91.5%。通过对催化剂的进一步表征分析和不同实验表明，这种特殊的竹节状和金属包封结构不仅可有效利用碳纳米管的结构优势，同时也充分提高了包封在其中金属的活性及稳定性，促使了金属和N之间配位形成更多Co-N活性位点，XPS结果和对比试验数据表明，两者之间的协同效应对催化性能的提升起到了重要的促进作用。
2)在不同三聚氰胺含量的条件下经一锅法高温热解三聚氰胺、柠檬酸、六水合氯化钴的络合物制备出相应的系列竹节状结构碳纳米管NCNTs-X催化剂。实验结果表明，催化剂活性和三聚氰胺的含量，即N的含量有着不可分割的关联，其中NCNTs-1.6催化剂表现出最优的催化性能，其氧化乙苯的转化率达到65.9%，苯乙酮的选择性为92.2%。此外，TEM和HRTEM分析结果证实，氮含量的提升能有助于明显的竹节状结构形成，从而影响金属纳米粒子在碳纳米管中的包封。进一步的XPS分析表明，当三聚氰胺含量为1.6g时，掺杂的氮能与包封的金属配位形成更多的活性位点，且此时催化剂表面Co-N物种含量最高，结合乙苯和芳香烷烃氧化试验数据，此时催化剂具有最佳的催化性能，进一步证明催化剂活性中心为Co-N物种且其有利于催化剂活性的提升。
3)在900℃条件下热解三聚氰胺、柠檬酸、六水合氯化钴的络合物，将得到的黑色粉末均在80℃，2mol/L盐酸中刻蚀不同时间后，制备出一系列AT-Co@CNTs-X催化剂。结果表明，刻蚀时间为6小时，所制备的AT-Co@CNTs-6催化剂对乙苯催化氧化成苯乙酮具有良好的催化活性，在以TBHP为氧化剂的条件下其转化率达到98.1%，选择性为99.8%。此外，对催化剂进行TEM和BET表征表明，酸蚀有助于碳纳米管的结构优化，与Co@CNTs催化剂相比，AT-Co@CNTs-X催化剂具更完整的包封结构和更高的比表面积。不仅说明了刻蚀有利于提升比表面积，也表明刻蚀有助于去除不稳定的金属粒子，从而得到稳定的具有竹节状和金属包封结构的碳纳米管。进一步的XPS表征分析和氧化性能及循环稳定性能考察证实了适宜时间的酸蚀有利于形成稳定的Co-N活性物种，且Co-N物种与酸处理的氮掺杂竹节状结构碳纳米管之间的协同作用是AT-Co@CNTs-X催化剂具有更高的效率的重要因素。
三聚氰胺是化工行业中一种常见的廉价原料，作为一种富氮(N含量66.7%)的有机化合物，在含氮碳材料的合成中作为氮前驱体被广泛使用，因此利用高温热解三聚氰胺前驱体成为了制备杂原子氮掺杂碳纳米管的常用选择。此外，采用过渡金属盐作为金属来源和柠檬酸为金属络合剂及额外碳源，能够辅助协调金属包封结构的构筑和形成。一般来说，掺杂的杂原子N与过渡金属原子形成的配位结构能够提供大量的M-N活性中心，同时这种高效特殊的活性物种能够被包封在具有独特竹节状结构的碳纳米管中，有效提升了活性中心的稳定性。然而，由于包封结构不完整和缺乏有效的调节包封金属及氮含量的措施，导致包封金属含量以及氮含量与催化活性之间的关系尚未明确。为此，开发一种具有较好包封结构的催化剂以及确定包封金属含量及氮含量与催化性能之间的关系是非常必要的。本文基于上述讨论，全面系统的探究了以三聚氰胺、柠檬酸和过渡金属盐为前驱体，通过一锅法制备出具有高催化性能的碳纳米管催化剂并通过各种表征对其进行分析。主要研究内容为：
1)三聚氰胺作为主要氮源和碳源在热水中易溶解，且能与柠檬酸发生官能团自组装。以去离子水为溶剂，在水浴加热的条件下溶解三聚氰胺，再利用柠檬酸的络合作用将不同含量的金属离子和自组装后质子化的三聚氰胺同时络合形成均相络合沉淀，然后程序升温至900℃焙烧，形成具有包封结构和高比表面积的不同金属含量N掺杂竹节状结构碳纳米管复合催化剂(Co@CNTs-X)。经过对金属含量的探究，并通过TEM分析结果表明，金属含量的提升有助于促进碳纳米管的生长。和其他不同金属含量的碳纳米管相比，在金属含量为0.8g时，形成了大量稳定高效的N掺杂的具有竹节状金属包封结构的碳纳米管。此外，实验结果表明，在分子氧和无溶剂条件对乙苯进行选择性氧化反应中，所得到的Co@CNTs-0.8催化剂展示了优异的催化性能，乙苯转化率为63.7%，苯乙酮的选择性为91.5%。通过对催化剂的进一步表征分析和不同实验表明，这种特殊的竹节状和金属包封结构不仅可有效利用碳纳米管的结构优势，同时也充分提高了包封在其中金属的活性及稳定性，促使了金属和N之间配位形成更多Co-N活性位点，XPS结果和对比试验数据表明，两者之间的协同效应对催化性能的提升起到了重要的促进作用。
2)在不同三聚氰胺含量的条件下经一锅法高温热解三聚氰胺、柠檬酸、六水合氯化钴的络合物制备出相应的系列竹节状结构碳纳米管NCNTs-X催化剂。实验结果表明，催化剂活性和三聚氰胺的含量，即N的含量有着不可分割的关联，其中NCNTs-1.6催化剂表现出最优的催化性能，其氧化乙苯的转化率达到65.9%，苯乙酮的选择性为92.2%。此外，TEM和HRTEM分析结果证实，氮含量的提升能有助于明显的竹节状结构形成，从而影响金属纳米粒子在碳纳米管中的包封。进一步的XPS分析表明，当三聚氰胺含量为1.6g时，掺杂的氮能与包封的金属配位形成更多的活性位点，且此时催化剂表面Co-N物种含量最高，结合乙苯和芳香烷烃氧化试验数据，此时催化剂具有最佳的催化性能，进一步证明催化剂活性中心为Co-N物种且其有利于催化剂活性的提升。
3)在900℃条件下热解三聚氰胺、柠檬酸、六水合氯化钴的络合物，将得到的黑色粉末均在80℃，2mol/L盐酸中刻蚀不同时间后，制备出一系列AT-Co@CNTs-X催化剂。结果表明，刻蚀时间为6小时，所制备的AT-Co@CNTs-6催化剂对乙苯催化氧化成苯乙酮具有良好的催化活性，在以TBHP为氧化剂的条件下其转化率达到98.1%，选择性为99.8%。此外，对催化剂进行TEM和BET表征表明，酸蚀有助于碳纳米管的结构优化，与Co@CNTs催化剂相比，AT-Co@CNTs-X催化剂具更完整的包封结构和更高的比表面积。不仅说明了刻蚀有利于提升比表面积，也表明刻蚀有助于去除不稳定的金属粒子，从而得到稳定的具有竹节状和金属包封结构的碳纳米管。进一步的XPS表征分析和氧化性能及循环稳定性能考察证实了适宜时间的酸蚀有利于形成稳定的Co-N活性物种，且Co-N物种与酸处理的氮掺杂竹节状结构碳纳米管之间的协同作用是AT-Co@CNTs-X催化剂具有更高的效率的重要因素。