摘要：活性炭(Activated Carbon, AC)作为一种重要的碳基材料，因其具有高比表面积、丰富的孔隙结构和可调控的表面化学性质，在催化领域展现出广泛的应用前景。与传统的金属催化剂相比，活性炭不仅成本低廉、制备简单，还具有优异的热稳定性和化学稳定性。活性炭的

活性炭(Activated Carbon, AC)作为一种重要的碳基材料，因其具有高比表面积、丰富的孔隙结构和可调控的表面化学性质，在催化领域展现出广泛的应用前景。与传统的金属催化剂相比，活性炭不仅成本低廉、制备简单，还具有优异的热稳定性和化学稳定性。活性炭的催化性能主要取决于其表面官能团组成、孔隙结构特征和电子性质，其中表面官能团是影响其催化活性、选择性和稳定性的关键因素。

活性炭表面官能团主要包括含氧官能团、含氮官能团以及其他杂原子官能团(如含硫、含磷官能团)。这些官能团通过调节电子结构、提供活性位点和改善反应物吸附能力等方式，直接影响活性炭的催化性能。近年来，随着表征技术的进步和理论计算的发展，研究者对活性炭表面官能团与催化性能之间的构效关系有了更深入的理解。

本文系统综述了活性炭表面官能团对催化性能影响的最新研究进展，重点讨论了不同类型官能团的结构特征、作用机制及其在各类催化反应中的应用。同时，对活性炭表面官能团的调控方法及其在催化领域的应用前景进行了展望，以期为高性能活性炭基催化剂的设计与制备提供理论指导。

活性炭表面的含氧官能团是最主要的官能团类型，主要包括羧基(-COOH)、酚羟基(-OH)、羰基(-C=O)、**内酯基(-COO-)和醚基(-C-O-C-)**等。这些官能团的形成与活性炭的制备原料、活化方法和后处理条件密切相关。

根据Boehm滴定法，活性炭表面含氧官能团可分为酸性和碱性两类。酸性含氧官能团主要包括羧基、酚羟基和内酯基，它们在活性炭表面表现出酸性特征，可通过与碱性物质发生中和反应进行定量分析。而碱性含氧官能团则主要包括吡喃酮结构等，它们在活性炭表面表现出碱性特征。

Boehm滴定是一种常用的定量分析活性炭表面含氧官能团的方法。例如，研究人员使用Boehm滴定法对过氧化氢改性前后的活性炭进行表征，结果表明改性后活性炭表面含氧官能团总量有所提高，其中酚羟基含量增加最为显著，从0.10 mmol·g⁻¹增加到0.43 mmol·g⁻¹，增加幅度达330%。这一结果与X射线光电子能谱(XPS)分析结果基本一致，后者显示改性后活性炭表面氧元素含量最高可达12.08%。

含氮官能团是活性炭表面另一类重要的官能团，主要包括吡啶氮(N-6)、吡咯氮(N-5)、**石墨氮(N-Q)和氧化氮(N-O)**等。这些含氮官能团通常是通过对活性炭进行氮掺杂改性引入的，如氨气处理、尿素浸渍或含氮聚合物热解等方法。

与含氧官能团不同，含氮官能团主要表现为Lewis碱性特征，其氮原子上的孤对电子可作为电子给体参与催化反应。同时，由于氮原子的电负性高于碳原子，含氮官能团还能调节活性炭表面的电荷分布，提高其电子密度。

X射线光电子能谱(N1s XPS)是表征活性炭表面含氮官能团的主要技术。例如，研究人员通过XPS分析发现，Ni-N/Cox催化剂表面含有丰富的活性氮物种，这些氮物种与Ni元素协同作用，形成了Ni-N₂O₂活性中心，从而显著提高了催化剂的电催化性能。

除了含氧和含氮官能团外，活性炭表面还可引入含硫、含磷等杂原子官能团。这些杂原子官能团通常是通过特定的改性方法引入的，如硫掺杂可通过二苯二硫醚与活性炭混合、高温热解实现；磷掺杂则可通过磷酸处理或含磷化合物热解等方法实现。

含硫官能团(如-SH、-SO₃H)和含磷官能团(如-PO₄H₂)具有独特的化学性质，它们不仅可以调节活性炭的表面酸碱性，还能与金属离子形成强配位键，提高金属活性中心的分散度和稳定性。

例如，研究人员发现，含硫官能团可通过与重金属离子(如Hg²⁺、Pd²⁺)形成强配位键，固定金属活性中心，从而提升催化加氢、脱硫反应的选择性。而含磷官能团则可通过其多齿配位结构稳定金属纳米颗粒(如Au、Ag)，避免颗粒团聚，增强催化氧化反应的稳定性。

表征活性炭表面官能团的技术多种多样，主要包括化学滴定法、光谱技术和热分析技术等。

Boehm滴定法是一种经典的化学滴定方法，通过使用不同强度的碱溶液(如NaOH、Na₂CO₃、NaHCO₃)与活性炭表面酸性官能团反应，可定量分析羧基、内酯基和酚羟基等酸性官能团的含量。

**X射线光电子能谱(XPS)**是表征活性炭表面官能团最常用的光谱技术之一。通过分析C1s、O1s和N1s等谱峰的位置和强度，可定性和定量分析活性炭表面各种官能团的类型和含量。例如，O1s XPS谱通常可分解为C=O(531.2 eV)、C-O(532.8 eV)和O-C=O(534.3 eV)等峰，分别对应羰基、羟基和羧基等含氧官能团。

**傅里叶变换红外光谱(FTIR)**可用于定性分析活性炭表面官能团的类型。例如，在3337 cm⁻¹附近出现的吸收峰对应O-H的特征峰，1635 cm⁻¹处的峰对应C=O伸缩振动，1418 cm⁻¹处的峰则对应C-H变形振动。

**程序升温脱附(TPD)**技术可用于研究活性炭表面官能团与吸附质之间的相互作用。例如，NO₂-TPD-MS分析可揭示活性炭表面官能团对NO₂的吸附和转化机制。研究人员通过NO₂-TPD-MS发现，在80~150℃温度范围内，活性炭表面的酚羟基有利于NO₂制NO反应的进行，而羧基和内酯基则抑制该反应的进行。

激光共焦拉曼光谱可用于表征活性炭的结构缺陷和石墨化程度。在1333 cm⁻¹附近的D峰代表碳原子的晶格缺陷，1590 cm⁻¹处的G峰则是碳原子sp²杂化面内伸缩振动的峰。D峰与G峰强度的比值(R=ID/IG)可用于表征材料的结构缺陷程度，结构缺陷通常可作为化学反应的活性位点。

酸性含氧官能团(如羧基、酚羟基和内酯基)主要通过以下机制影响活性炭的催化性能：

提供质子活性位点：酸性含氧官能团可作为质子(H⁺)供体，直接参与酸催化反应，如酯化、水解和异构化等。例如，羧基(-COOH)的强酸性可直接作为质子供体，催化醇与羧酸的酯化反应；酚羟基(-OH)的弱酸性则能辅助活化反应物分子，如活化苯环，促进亲电取代反应。

研究表明，活性炭表面的酚羟基有利于NO₂制NO反应的进行，而羧基和内酯基则抑制该反应的进行。在H₂O₂改性活性炭催化转化NO₂制NO的研究中，经20% H₂O₂处理后的活性炭的反应性能最佳，在150℃下NO₂转化率可达99.8%，这主要归因于其表面酚羟基含量的显著增加(从0.10 mmol·g⁻¹增加到0.43 mmol·g⁻¹)。

增强极性吸附能力：酸性含氧官能团可增强活性炭表面的亲水性，提高极性反应物(如醇、酯)在活性炭表面的吸附量，间接提高反应速率。例如，富含表面羟基的活性炭用于制备铁碳三维粒子电极时，其表面更多的羟基有利于吸附O₃分子，反过来也有利于在铁铜合金的协同空穴效应下生成更多的羟基自由基，从而增强了对污染物的降解性能。

参与电子转移过程：在氧化还原反应中，含氧官能团可作为电子转移媒介，辅助调控催化剂与反应物之间的电子传递效率。例如，在电催化氧化垃圾渗滤液的研究中，改性活性炭表面的羟基含量从0.4295 mmol·g⁻¹增加至0.9862 mmol·g⁻¹，显著提高了对总有机碳和氨氮的降解率，分别提升了26和20个百分点。

碱性含氧官能团(如吡喃酮结构等)主要通过以下机制影响活性炭的催化性能：

提供碱性活性位点：碱性含氧官能团可提供孤对电子或碱性位点，适配碱催化反应(如皂化、Aldol缩合)。例如，吡喃酮结构的弱碱性可接受质子，活化含活泼氢的反应物(如醛/酮的α-H)，推动Aldol缩合反应进行。

调控电子结构：碱性含氧官能团可调节活性炭表面的电子密度，影响其对电子受体型反应物的吸附和活化能力。例如，在催化湿式过氧化氢氧化(m-CP)反应中，活性炭表面的羧基和Fe₂O₃能够协同活化H₂O₂生成·OH自由基，其中羧基的贡献度为37.3%，而Fe₂O₃的贡献度为100%。

稳定金属活性中心：碱性含氧官能团可与金属离子形成配位键，稳定金属活性中心，提高催化剂的活性和稳定性。例如，在乙炔醋酸化反应中，活性炭表面的羧基官能团可作为活性位点的支撑，增强C₂H₂的吸附强度，从而有效加速反应速率。研究表明，当活性炭表面羧基比例提高时，Zn(OAc)₂/AC催化剂的醋酸转化率可从36.4%提高至40%左右。

含氮官能团(如吡啶氮、吡咯氮、石墨氮等)主要通过以下机制影响活性炭的催化性能：

调节电子结构：吡啶氮(N-6)和吡咯氮(N-5)的孤对电子会向活性炭石墨骨架转移，提高表面电子密度，增强对O₂、H₂O₂等氧化剂的吸附与活化能力。例如，在电催化合成过氧化氢的研究中，Ni-N/Cox催化剂表面含有丰富的活性氮物种，这些氮物种与Ni元素协同作用，形成了Ni-N₂O₂活性中心，从而表现出优异的两电子氧还原反应(2e⁻ ORR)活性和选择性，过氧化氢选择性高达96%。

提供配位活性位点：氮原子的孤对电子可与金属离子(如Fe、Co、Cu)形成配位键，固定金属活性中心并调控其电子态。例如，在Ru/N-doped活性炭/NbOPO₄复合催化剂中，含氮官能团作为Lewis碱位点，与Ru纳米颗粒形成配位结构，稳定Ru纳米颗粒并提高其分散性，从而在纤维素水解加氢制山梨醇的反应中表现出优异的催化性能，山梨醇收率可达90%左右。

增强导电性：石墨氮(N-Q)融入石墨骨架能提升活性炭的导电性，加速电子在催化剂-反应物-产物间的转移，尤其适用于电催化反应。例如，在乙炔氢氯化反应中，氮掺杂的碳材料表现出优异的催化性能，其中含有吡啶氮的催化剂在反应温度为260℃、乙炔空速为30 h⁻¹条件下，乙炔转化率可达93%。

提高反应选择性：含氮官能团可通过改变反应路径或降低特定反应的活化能，提高反应的选择性。例如，在乙炔氢氯化反应中，含有一个氢原子的吡啶-N位点能够通过H-Cl之间的化学键合把反应的活化能从80 kcal/mol左右降低到40 kcal/mol，显著提高氯乙烯的合成效率。

含硫官能团(如-SH、-SO₃H)主要通过以下机制影响活性炭的催化性能：

形成强配位键：巯基(-SH)的S原子可与重金属离子(如Hg²⁺、Pd²⁺)形成强配位键，固定金属活性中心，提升催化加氢、脱硫反应的选择性。例如，在硫掺杂活性炭负载Au催化剂的研究中，硫物种的存在改善了催化剂对反应原料的吸附，同时抑制了积碳的形成，在反应温度为170℃、乙炔空速为90 h⁻¹条件下，取得了50%左右的乙炔转化率，并且在近25 h的反应时间内没有出现失活。

提供酸性位点：磺酸基(-SO₃H)的强酸性可替代液体酸，催化烷基化、水解等酸催化反应。例如，在催化湿式过氧化氢氧化反应中，含硫官能团可作为质子供体，促进H₂O₂的分解和·OH自由基的生成。

调节电子结构：硫原子的引入可改变活性炭表面的电荷和自旋密度，增加活性位点数量。密度泛函理论计算结果表明，掺杂的硫原子不仅影响了活性炭表面的电荷和自旋密度，还增加了一定量的活性位点，从而提高了催化剂的活性。

含磷官能团(如-PO₄H₂)主要通过以下机制影响活性炭的催化性能：

形成配位结构：磷酸基团的多齿配位结构能与金属离子形成稳定的配位结构，提高金属活性中心的分散度和稳定性。例如，在磷掺杂活性炭负载铜催化剂的研究中，催化剂表面形成的P-C键与原子级分散的Cu²⁺中心相互作用形成的配位结构是铜基催化剂在乙炔氢氯化反应中高活性和稳定性的重要原因。

提供酸性位点：磷酸基团的酸性位点可活化醇、醚等反应物，促进酸催化反应的进行。例如，在催化湿式过氧化氢氧化反应中，含磷官能团可作为质子供体，促进H₂O₂的分解和·OH自由基的生成。

改善金属分散性：含磷官能团可改善金属纳米颗粒在活性炭表面的分散性，抑制金属颗粒的团聚，从而提高催化剂的活性和稳定性。例如，研究人员发现，磷掺杂会影响活性炭表面的电导率，同时较好的电导率会抑制磷原子的掺杂，适量的吡咯-N掺杂更有利于促进催化剂对反应原料的吸附。

在实际催化反应中，活性炭表面的多种官能团往往协同作用，共同影响其催化性能。这种协同效应主要表现在以下几个方面：

酸碱协同作用：酸性官能团和碱性官能团可通过酸碱协同作用，促进某些需要酸碱位点共同参与的反应。例如，在Ru/N-doped活性炭/NbOPO₄复合催化剂中，Brønsted酸性的NbOPO₄、Lewis碱性的氮官能团和氧官能团协同作用，在纤维素水解加氢制山梨醇的反应中表现出优异的催化性能。

电子协同作用：不同类型的官能团可通过电子效应相互影响，调节活性炭表面的电子分布，提高催化活性。例如，在Ni-N/Cox催化剂中，Ni元素与氮官能团协同作用，形成Ni-N₂O₂活性中心，同时活性炭表面丰富的含氧官能团和活性氮物种进一步增强了整体碳材料的催化性能。

吸附协同作用：不同官能团对反应物的吸附能力不同，它们的协同作用可提高活性炭对复杂反应物的吸附能力。例如，在N-doped oxidized activated carbon (N-OAC)吸附去除双酚A的研究中，氮和氧官能团的协同作用使N-OAC对双酚A的最大吸附容量达到147 mg·g⁻¹，分别是未改性活性炭(121 mg·g⁻¹)和无氮氧化活性炭(108 mg·g⁻¹)的1.23倍和1.5倍。

催化-吸附协同作用：某些官能团主要负责吸附反应物，而其他官能团则主要负责催化转化，它们的协同作用可提高整体催化效率。例如，在nanodisk-like activated carbon-branched polyamine (AC-BPA)材料中，胺基、羧基、羟基和Cl⁻等多种官能团协同作用，在甲醛吸附和催化氧化反应中表现出优异的性能，在干燥条件下甲醛吸附容量达82.3 mg·g⁻¹，在100%相对湿度条件下更达到144.3 mg·g⁻¹。

氧化改性是调控活性炭表面含氧官能团最常用的方法之一，主要通过使用强氧化剂(如HNO₃、H₂O₂、KMnO₄等)对活性炭进行处理，引入或增加酸性含氧官能团。

硝酸氧化是一种经典的氧化改性方法。研究人员发现，硝酸氧化可显著增加活性炭表面的羧基、酚羟基和内酯基等酸性官能团。例如，在制备N-doped oxidized activated carbon (N-OAC)的研究中，硝酸氧化处理使活性炭表面引入了大量的含氧官能团，为后续的氮掺杂提供了有利条件。

过氧化氢改性也是一种常用的氧化方法。研究表明，过氧化氢改性可增加活性炭的微孔面积和表面含氧官能团的含量，尤其是表面酚羟基的含量。当过氧化氢质量分数为20%时，改性后的活性炭在150℃下NO₂转化率可达99.8%，显著高于未改性活性炭。

高锰酸钾氧化可在活性炭表面引入大量的羟基官能团。研究人员采用5 g活性炭中KMnO₄用量15 g、用20 mL质量分数10%的H₂SO₄酸化、反应温度35℃、反应时间1 h的方法对市售活性炭进行氧化改性，结果表明改性活性炭相较于原始活性炭表面羟基量大大增加，从0.4295 mmol·g⁻¹增加至0.9862 mmol·g⁻¹。

臭氧处理是一种较为温和的氧化方法，可在活性炭表面引入特定类型的含氧官能团。研究表明，通过控制臭氧处理时间，可调节活性炭表面含氧官能团的比例，从而优化其催化性能。例如，在乙炔醋酸化反应中，经过30分钟臭氧处理的活性炭负载的Zn催化剂表现出最高的醋酸转化率(63%)，这与羧基和羟基含量的增加密切相关。

氮掺杂改性是调控活性炭表面含氮官能团的主要方法，可通过多种途径实现，如氨气处理、尿素浸渍、含氮聚合物热解等。

氨气处理是一种简单有效的氮掺杂方法。研究人员通过对活性炭进行氨气水热处理，成功在活性炭表面引入了含氮官能团。结果表明，氧化程度越深的活性炭越有利于氮掺杂，适当的氧和氮改性可同时增强活性炭对过硫酸盐的吸附和活化能力。

尿素浸渍是另一种常用的氮掺杂方法。研究人员以尿素为氮源，通过氮气高温热处理的方式在活性炭结构中掺杂2.9%的氮原子，所制备的Au/NAC1催化剂在乙炔氢氯化反应中表现出优异的活性和稳定性。

含氮聚合物热解是一种可控制备高氮含量活性炭的方法。例如，研究人员通过控制聚丙烯腈聚合物自组装方法合成了一种富含吡啶氮和梯形结构的芳香类材料，该材料在乙炔氢氯化反应中获得了93%的乙炔转化率和99%的氯乙烯选择性。

等离子体处理是一种高效、可控的表面改性技术，可在活性炭表面引入特定类型的含氮官能团。例如，在制备Ni-N/Cox催化剂的研究中，研究人员通过等离子体处理在活性炭表面引入了丰富的氮官能团，这些氮官能团与Ni元素协同作用，形成了高效的Ni-N₂O₂活性中心。

除了氮掺杂外，硫掺杂和磷掺杂等杂原子掺杂方法也可用于调控活性炭表面官能团，改善其催化性能。

硫掺杂通常采用含硫化合物(如二苯二硫醚、硫脲等)对活性炭进行处理。例如，研究人员以二苯二硫醚、乙醇为原料，通过机械混合、真空干燥、高温热解等方式在活性炭结构中掺入不等量的硫原子。在反应温度为170℃、乙炔空速为90 h⁻¹条件下，硫掺杂的S/B-SAC催化剂取得了50%左右的乙炔转化率，并且在近25 h的反应时间内没有出现失活。

磷掺杂通常采用磷酸、磷酸盐或含磷有机物对活性炭进行处理。例如，研究人员以磷酸为活化剂，通过控制活化条件，成功制备了表面富含磷官能团的活性炭。这种磷掺杂活性炭在甘油转化为solketal的反应中表现出优异的催化性能，甘油转化率超过83%，solketal选择性约为98%。

硼掺杂是一种较新的杂原子掺杂方法，可通过含硼化合物(如含硼离子液体)对活性炭进行处理。例如，研究人员以含硼混合离子液体为原料，通过预组装和离子碳化的方式合成了二维层状硼掺杂催化剂BCNDs，该材料具有稳定的框架结构、较高的电子亲和力以及高温抗畸变性，在乙炔氢氯化反应中的活性和稳定性得到了明显提升。

热处理是调控活性炭表面官能团的另一种重要方法，可通过在不同气氛(如N₂、H₂、空气等)下对活性炭进行加热处理，改变表面官能团的类型和含量。

氮气气氛热处理可在不显著改变活性炭结构的情况下，调节表面官能团的类型和含量。例如，研究人员在氮气气氛下对Zn(OAc)₂/AC催化剂进行不同温度的煅烧处理，发现当煅烧温度为500℃时，催化剂表面的羧基比例明显提高，醋酸转化率从36.4%提高至40%左右。

氢气气氛热处理可减少活性炭表面的含氧官能团含量，尤其是酸性官能团。例如，在氢气气氛下对活性炭进行热处理，可显著降低表面羧基和酚羟基的含量，提高活性炭的碱性特征。

空气气氛热处理通常在较低温度下进行，可部分氧化活性炭表面，增加含氧官能团的含量。例如，在300℃空气气氛下煅烧Zn(OAc)₂/AC催化剂，可增加表面羧基的含量，提高催化剂的活性。

真空热处理是一种温和的热处理方法，可在不引入外来元素的情况下，调节活性炭表面官能团的类型和含量。例如，研究人员通过真空热处理成功调控了活性炭表面的含氧官能团，优化了其在催化湿式过氧化氢氧化反应中的性能。

活性炭表面官能团在环境催化领域有着广泛的应用，主要包括空气净化、水处理和污染物降解等方面。

在空气净化领域，活性炭表面官能团主要用于吸附和催化氧化挥发性有机化合物(VOCs)和有害气体。

甲醛去除是活性炭在空气净化中的重要应用。研究表明，活性炭表面的含氧和含氮官能团对甲醛的吸附和催化氧化起着关键作用。例如，nanodisk-like activated carbon-branched polyamine (AC-BPA)材料表面含有大量的胺基、羧基、羟基和Cl⁻等官能团，在甲醛吸附和催化氧化反应中表现出优异的性能，在干燥条件下甲醛吸附容量达82.3 mg·g⁻¹，在100%相对湿度条件下更达到144.3 mg·g⁻¹。

氮氧化物(NOx)脱除是活性炭在大气污染控制中的另一重要应用。活性炭表面的含氧官能团(尤其是酚羟基)对NO₂的吸附和转化起着关键作用。例如，H₂O₂改性的活性炭在150℃下可实现99.8%的NO₂转化率，这主要归因于其表面酚羟基含量的显著增加。

二氧化硫(SO₂)脱除也是活性炭的重要应用之一。活性炭表面的酸性官能团可通过与SO₂形成酸性络合物，促进SO₂的吸附和氧化。研究表明，活性炭表面的羧基和酚羟基等酸性官能团有利于SO₂的吸附和转化。

在水处理领域，活性炭表面官能团主要用于吸附和催化降解水中的有机污染物和重金属离子。

重金属离子吸附是活性炭在水处理中的传统应用。活性炭表面的含氧官能团(如羧基、羟基等)可通过离子交换和络合作用吸附重金属离子。例如，富含表面羟基的活性炭对重金属离子的吸附能力显著增强，这主要归因于羟基与重金属离子之间的络合作用。

有机污染物降解是活性炭在水处理中的另一重要应用。活性炭表面官能团可通过直接吸附或催化活化氧化剂(如H₂O₂、过硫酸盐等)降解有机污染物。例如，N-doped oxidized activated carbon (N-OAC)可同时吸附和活化过硫酸盐，产生强氧化性的硫酸根自由基，从而高效降解水中的双酚A。在最佳条件下，使用240 mg·L⁻¹的N-OAC和4 mmol·L⁻¹的过硫酸盐，可在60分钟内几乎完全去除60 mg·L⁻¹的双酚A。

**催化湿式过氧化氢氧化(CWPO)**是一种高效的水处理技术，其中活性炭表面官能团对H₂O₂的活化起着关键作用。研究表明，活性炭表面的羧基和Fe₂O₃能够协同活化H₂O₂生成·OH自由基，其中羧基的贡献度为37.3%，Fe₂O₃的贡献度为100%。在3�/AC催化剂中，表面官能团和FeOx颗粒的协同作用使其在CWPO反应中表现出高活性和强稳定性。

活性炭表面官能团在能源催化领域也有着广泛的应用，主要包括燃料电池、电化学储能和能源转化等方面。

在燃料电池领域，活性炭表面官能团主要用于调控电催化剂的活性和选择性。

**氧还原反应(ORR)**是燃料电池中的关键反应，活性炭表面官能团对ORR的催化性能有着重要影响。例如，在Ni-N/Cox催化剂中，Ni元素与氮官能团协同作用，形成Ni-N₂O₂活性中心，同时活性炭表面丰富的含氧官能团和活性氮物种进一步增强了整体碳材料的催化性能，使其在碱性条件下表现出优异的2e⁻ ORR活性和选择性，过氧化氢选择性高达96%。

**析氧反应(OER)**是水分解和金属-air电池中的另一关键反应。研究人员通过激光诱导聚酰亚胺薄膜碳化，制备了一种无金属、高比表面积的含氮碳材料，作为析氧反应的电催化剂。通过引入额外的富氧官能团，该材料表现出更多的电化学活性位点和更低的电荷转移电阻，在析氧反应中表现出优异的催化活性，在10 mA·cm⁻²电流密度下的过电位仅为470 mV。

电催化合成过氧化氢是一种有前景的环境友好技术，活性炭表面官能团在其中起着关键作用。例如，Ni-N/Cox催化剂在电催化合成过氧化氢的反应中表现出优异的性能，这主要归因于其表面形成的Ni-N₂O₂活性中心和丰富的含氧官能团。

在能源转化领域，活性炭表面官能团主要用于催化各种能源相关反应，如甲烷分解制氢、生物质转化和废水处理等。

甲烷分解制氢是一种有前景的高纯氢生产技术，活性炭表面官能团对其催化性能有着重要影响。研究表明，活性炭表面的羧基、羰基、羟基等含氧官能团对甲烷分子的吸附有不同程度的促进作用，其中羧基的促进作用更好，羰基和羟基效果相差不大。此外，孔径为0.8 nm的微孔对甲烷的吸附热最大，这意味着微孔的存在有利于甲烷在活性炭上的吸附，特别是小微孔。

生物质转化是另一个重要的能源转化领域，活性炭表面官能团在其中起着关键作用。例如，在Ru/N-doped活性炭/NbOPO₄复合催化剂中，Brønsted酸性的NbOPO₄、Lewis碱性的氮官能团和氧官能团协同作用，在纤维素水解加氢制山梨醇的反应中表现出优异的催化性能，山梨醇收率可达90%左右。

废塑料催化热解是将废塑料转化为燃料或化学品的有效方法，活性炭表面官能团在其中起着重要作用。研究表明，随着活化时间和温度的增加，活性炭的酸性略有增加，这主要是由于含氧官能团的增加，而比表面积在800℃活化60分钟时达到最大值(707 m²/g)。比表面积的增大促进了C-C键的断裂，释放更多的小分子气体，但会降低液体收率；而含氧官能团密度和酸性的增加则促进了液体中芳烃的形成。

活性炭表面的酸性官能团(如羧基、酚羟基等)可作为酸催化剂，催化各种酸催化反应，如酯化、水解、异构化等。

酯化反应是活性炭酸催化应用的典型例子。活性炭表面的羧基官能团可作为质子供体，催化醇与羧酸的酯化反应。例如，磷酸活化制备的活性炭在甘油转化为solketal的反应中表现出优异的催化性能，甘油转化率超过83%，solketal选择性约为98%。

水解反应是另一个重要的酸催化反应。活性炭表面的酸性官能团可催化酯、酰胺等化合物的水解反应。例如，在Ru/N-doped活性炭/NbOPO₄复合催化剂中，Brønsted酸性的NbOPO₄与活性炭表面的酸性官能团协同作用，促进了纤维素的水解。

异构化反应也可在活性炭表面酸性官能团的催化下进行。例如，活性炭表面的羧基和酚羟基等酸性官能团可催化某些有机化合物的异构化反应，如葡萄糖异构化为果糖。

活性炭表面的碱性官能团(如吡喃酮结构等)可作为碱催化剂，催化各种碱催化反应，如Aldol缩合、Knoevenagel缩合等。

Aldol缩合反应是活性炭碱催化应用的典型例子。活性炭表面的碱性官能团可活化含活泼氢的化合物(如醛、酮等)，促进Aldol缩合反应的进行。例如，含氮活性炭表面的吡啶氮官能团可作为Lewis碱位点，催化Aldol缩合反应。

Knoevenagel缩合反应也是活性炭碱催化应用的重要例子。活性炭表面的碱性官能团可催化醛或酮与活性亚甲基化合物的缩合反应，生成α,β-不饱和化合物。

Michael加成反应是另一个可在活性炭表面碱性官能团催化下进行的反应。活性炭表面的碱性官能团可活化亲电试剂或亲核试剂，促进Michael加成反应的进行。

活性炭表面官能团在氧化还原反应中也起着重要作用，主要通过参与电子转移过程或活化氧化剂来促进反应进行。

氧化反应是活性炭催化应用的重要领域。活性炭表面的含氧官能团可通过与氧化剂(如O₂、H₂O₂等)相互作用，产生氧化性物种，促进氧化反应的进行。例如，富含表面羟基的活性炭在电催化氧化垃圾渗滤液的应用中表现出优异的性能，对总有机碳和氨氮的降解率分别提升了26和20个百分点。

还原反应也是活性炭催化应用的重要领域。活性炭表面的某些官能团(如含氮官能团)可通过提供电子或活化还原剂，促进还原反应的进行。例如，在乙炔氢氯化反应中，氮掺杂的活性炭负载金催化剂表现出优异的催化性能，这主要归因于氮官能团与金活性中心之间的电子转移，这种电子转移不仅在一定程度上抑制了乙炔氢氯化过程中Au³⁺还原为Au⁰，还增强了催化剂对氯化氢的吸附。

电催化反应是另一个重要的氧化还原反应领域。活性炭表面官能团可通过调节电子结构和提供活性位点，影响电催化反应的速率和选择性。例如，在Ni-N/Cox催化剂中，Ni元素与氮官能团协同作用，形成Ni-N₂O₂活性中心，在电催化合成过氧化氢的反应中表现出优异的2e⁻ ORR活性和选择性。

本文系统综述了活性炭表面官能团对其催化性能的影响机制和研究进展。主要结论如下：

尽管活性炭表面官能团的研究取得了显著进展，但仍面临以下挑战：

基于当前研究现状和挑战，未来活性炭表面官能团的研究可从以下几个方向展开：

总之，活性炭表面官能团对其催化性能的影响是一个复杂而有趣的研究领域。通过深入研究表面官能团的结构、性质和调控方法，可进一步提高活性炭基催化剂的性能，拓展其在环境、能源、化工等领域的应用前景。未来的研究需要多学科交叉融合，综合运用实验和理论方法，推动该领域的创新发展。

来源：化学科研民工