摘要：活性炭(Activated Carbon, AC)是一种具有高度发达孔隙结构和巨大比表面积的碳基材料，其独特的物理化学性质使其在催化领域展现出广泛的应用前景。活性炭不仅可以直接作为催化剂参与多种化学反应，还能作为催化剂载体，为活性组分提供高分散的支撑平台。活性
活性炭(Activated Carbon, AC)是一种具有高度发达孔隙结构和巨大比表面积的碳基材料，其独特的物理化学性质使其在催化领域展现出广泛的应用前景。活性炭不仅可以直接作为催化剂参与多种化学反应，还能作为催化剂载体，为活性组分提供高分散的支撑平台。活性炭的催化性能主要源于其丰富的表面官能团、高比表面积、优良的电子传导能力以及独特的孔隙结构。近年来，随着材料科学和催化技术的发展，活性炭在催化领域的应用研究日益深入，已成为多相催化领域的重要研究对象。
本文旨在全面梳理活性炭在各类催化反应中的应用及其催化原理，从氧化反应、还原反应、有机合成反应到环境污染物降解等多个领域，系统分析活性炭作为催化剂和催化剂载体的作用机制，为活性炭在催化领域的进一步研究和应用提供理论参考。
活性炭是由无序交联的芳香碳层状结构组成的碳材料，其层间距多变，形成了丰富的孔隙结构。活性炭的物理结构特征主要包括比表面积、孔隙结构和表面形貌，这些特性直接影响其催化性能。
比表面积是活性炭最重要的物理参数之一，通常在500-1700 m²/g之间，部分特殊制备的活性炭甚至可达2000 m²/g以上。高比表面积为催化反应提供了充足的活性位点，有利于反应物分子的吸附和反应进行。
活性炭的孔隙结构主要分为微孔(孔径50 nm)三类。不同孔径分布对催化反应具有不同的影响：微孔提供了巨大的比表面积，有利于小分子反应物的吸附；介孔则有助于大分子物质的传输和扩散；大孔则主要作为物质传输的通道。例如，在催化臭氧氧化反应中，活性炭的微孔结构虽然提供了大量的内表面积，但也可能阻碍臭氧分子的传质，而介孔结构则有利于臭氧分子的扩散和反应进行。
活性炭的表面形貌同样影响其催化性能。活性炭表面存在各种缺陷和不规则结构，如锯齿形边缘、非六方石墨碳和空位缺陷等，这些结构缺陷往往是催化反应的活性位点。例如，在催化臭氧氧化过程中，活性炭表面的缺陷位点可以促进臭氧分子的分解和活性氧物种的生成。
活性炭的化学组成主要包括碳元素(占90%以上)，以及少量的氢、氧、氮等元素。这些元素在活性炭表面形成了丰富的表面官能团，如羟基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基(C=O)、内酯基等含氧官能团，以及胺基(-NH₂)、亚胺基(-NH-)等含氮官能团。
表面官能团是活性炭催化活性的重要来源，不同类型的官能团对催化反应具有不同的影响。例如，表面酸性基团(如羧基、内酯基)在酸催化反应中表现出较高的活性；而碱性基团(如吡咯型氮、吡啶型氮)则在碱催化反应或氧化反应中发挥重要作用。研究表明，活性炭表面官能团的类型和数量可通过不同的制备和改性方法进行调控，从而实现对其催化性能的定向设计。
活性炭的电子结构特征主要表现为其导电性和电子转移能力，这对其在氧化还原反应中的催化性能具有重要影响。活性炭的电子结构主要由其石墨化程度和表面官能团决定。
石墨化程度高的活性炭具有较好的电子传导能力，有利于电子在催化剂表面的转移，从而促进氧化还原反应的进行。例如，在催化还原六价铬的反应中，石墨化程度高的活性炭表现出更高的催化活性，这主要归因于其增强的电子转移能力。
活性炭表面的官能团也会影响其电子结构。例如，含氮官能团可以通过电子效应改变活性炭表面的电子分布，增强其电子转移能力。研究表明，氮掺杂的活性炭在催化氧化反应中表现出更高的活性，这主要是由于氮原子的引入增加了活性炭表面的电子密度，促进了氧化还原反应的进行。
活性炭在催化臭氧氧化反应中表现出优异的性能，可显著提高臭氧对有机物的降解效率和矿化程度。活性炭催化臭氧氧化的主要机制包括：
表面羟基参与机制：活性炭表面的羟基基团与臭氧分子相互作用，生成羟基自由基(·OH)，这是降解有机物的主要活性物种。反应过程如下：AC-OH + O_3 → AC-O· + ·OH + O_2
AC-O· + H_2O → AC-OH + ·OH
表面碱性位点机制：活性炭表面的碱性位点(如吡啶型氮)可以促进臭氧分子的分解，生成多种活性氧物种，包括羟基自由基、超氧自由基等。电子转移机制：活性炭作为电子供体，将电子转移给臭氧分子，形成活性氧物种。AC + O_3 → AC^+ + O_3^-
O_3^- + H^+ → ·O_2H
·O_2H + H^+ → H_2O_2
H_2O_2 → 2·OH
活性炭催化臭氧氧化的效率受到多种因素的影响，包括活性炭的孔隙结构、表面官能团性质、反应条件等。研究表明，具有高比表面积和丰富碱性位点的活性炭通常表现出更好的催化性能。例如，胺化活性炭的碱性基团(NH₂)可以提高催化效果，而硝化活性炭的酸性含氧基团也能增强催化活性。
与其他碳材料(如碳纳米管、石墨烯)相比，活性炭虽然比表面积更大，但以微孔结构为主，介孔比表面积较小，这在一定程度上限制了臭氧分子的传质。然而，通过对活性炭进行适当的改性处理，如表面氧化、氮掺杂等，可以显著提高其催化臭氧氧化的效率。
活性炭在催化湿式氧化(Catalytic Wet Air Oxidation, CWAO)和催化湿式过氧化氢氧化(Catalytic Wet Hydrogen Peroxide Oxidation, CWPO)中也表现出良好的催化性能。这些技术特别适用于处理高浓度、难降解的有机废水。
活性炭催化湿式氧化的主要机制包括：
自由基生成机制：活性炭表面的活性位点可以催化过氧化氢或分子氧分解，生成羟基自由基等活性氧物种。H_2O_2 + AC → 2·OH + AC
O_2 + AC → 2·O· + AC
电子转移机制：活性炭作为电子传递体，促进有机物与氧化剂之间的电子转移，加速氧化反应的进行。吸附-催化协同机制：活性炭首先吸附有机物和氧化剂，然后在其表面进行催化反应，这种吸附-催化协同作用可以显著提高反应效率。研究表明，活性炭的催化性能与其表面性质密切相关。例如，表面碱性基团有利于过氧化氢的分解和羟基自由基的生成，而表面酸性基团则可能抑制这一过程。此外，活性炭的孔隙结构也会影响催化效果，适当的介孔比例有利于有机物和氧化剂的传质。
近年来，活性炭催化过硫酸盐(包括过二硫酸盐PDS和过一硫酸盐PMS)氧化技术在环境修复领域受到广泛关注。活性炭催化过硫酸盐氧化的主要机制包括：
电子转移机制：活性炭表面的活性位点可以提供电子，促进过硫酸盐的分解，生成硫酸根自由基(SO₄·⁻)和羟基自由基(·OH)。AC + S_2O_8^{2-} → AC^+ + SO_4^{2-} + SO_4·^-
AC + HSO_5^- → AC^+ + SO_4^{2-} + ·OH
表面官能团参与机制：活性炭表面的含氧官能团可以与过硫酸盐反应，生成活性氧物种。AC-OH + S_2O_8^{2-} → AC-O· + HSO_4^- + SO_4·^-
自由基链式反应机制：生成的硫酸根自由基和羟基自由基可以进一步引发自由基链式反应，加速有机物的降解。研究表明，活性炭的催化性能与其表面性质和结构特征密切相关。例如，氮掺杂的活性炭在催化过硫酸盐氧化反应中表现出更高的活性，这主要是由于氮原子的引入增强了活性炭的电子转移能力。此外，活性炭的孔隙结构也会影响催化效果，适当的介孔比例有利于过硫酸盐和有机物的传质。
活性炭在催化还原六价铬(Cr(VI))为三价铬(Cr(III))的反应中表现出优异的性能，这对含铬废水的处理具有重要意义。活性炭催化还原Cr(VI)的主要机制包括：
直接电子转移机制：活性炭作为电子供体，直接将电子转移给Cr(VI)，使其还原为Cr(III)。Cr_2O_7^{2-} + 14H^+ + 6e^- → 2Cr^{3+} + 7H_2O
表面官能团参与机制：活性炭表面的羟基、羧基等官能团可以与Cr(VI)发生氧化还原反应，促进Cr(VI)的还原。Cr_2O_7^{2-} + 8H^+ + 3C(AC) → 2Cr^{3+} + 4H_2O + 3CO_2
质子参与机制：活性炭表面的酸性位点可以提供质子，促进还原反应的进行。研究表明，活性炭的催化性能与其表面性质和结构特征密切相关。例如，经过热处理的活性炭在催化还原Cr(VI)的反应中表现出更高的活性，这主要是由于热处理提高了活性炭的石墨化程度，增强了其电子转移能力。此外，表面碱性位点的存在也有利于Cr(VI)的还原，这主要是因为碱性位点可以促进活性炭表面的电子转移。
活性炭在选择性催化还原(SCR)脱硝反应中也表现出良好的催化性能。这些技术特别适用于处理燃煤烟气等含氮氧化物的废气。
活性炭催化脱硝的主要机制包括：
吸附-反应机制：活性炭首先吸附NO和NH₃分子，然后在其表面进行催化反应，生成氮气和水。4NO + 4NH_3 + O_2 → 4N_2 + 6H_2O
氧化还原循环机制：活性炭表面的活性位点可以通过氧化还原循环促进NO的还原。C(AC) + NO → C(AC)O + N
C(AC)O + NH_3 → C(AC) + N_2 + H_2O
酸性位点参与机制：活性炭表面的酸性位点可以促进NH₃分子的吸附和活化，提高脱硝效率。研究表明，活性炭的催化性能与其表面性质和结构特征密切相关。例如，铁改性的活性炭在催化脱硝反应中表现出更高的活性，这主要是由于铁物种的引入增加了活性炭表面的酸性位点和氧化还原活性。此外，活性炭的孔隙结构也会影响催化效果，适当的介孔比例有利于NO和NH₃的传质。
活性炭在催化加氢反应中也有广泛应用，如催化硝基化合物加氢制胺、烯烃加氢制烷烃等。活性炭催化加氢的主要机制包括：
活性氢物种生成机制：活性炭表面的活性位点可以催化氢气分子的解离，生成活性氢物种。H_2 + 2AC → 2AC-H
电子转移机制：活性炭作为电子传递体，促进电子从氢气分子向有机物的转移，加速加氢反应的进行。吸附-活化机制：活性炭首先吸附有机物和氢气分子，然后在其表面进行活化和反应，这种吸附-活化协同作用可以显著提高反应效率。研究表明，活性炭的催化性能与其表面性质密切相关。例如，表面碱性基团有利于氢气分子的解离和活性氢物种的生成，而表面酸性基团则可能抑制这一过程。此外，活性炭的孔隙结构也会影响催化效果，适当的微孔比例有利于有机物和氢气的吸附。
活性炭在催化纤维素水解为葡萄糖的反应中表现出独特的优势，特别是具有特定表面官能团的活性炭。与传统的酸催化剂(如Amberlyst-15、Nafion等)相比，活性炭催化剂具有更低的活化能需求和更高的水解速率。
活性炭催化纤维素水解的主要机制包括：
酸性位点催化机制：活性炭表面的酸性基团(如-COOH、-OH、-SO₃H等)可以提供质子，催化纤维素的水解反应。Cellulose + H^+ → Cellulose-H^+
Cellulose-H^+ + H_2O → Glucose + H^+
吸附-催化协同机制：活性炭首先吸附纤维素分子，然后在其表面进行催化水解，这种吸附-催化协同作用可以显著提高反应效率。表面润湿性影响机制：活性炭表面的亲水性官能团可以改善其与水的相互作用，促进水解反应的进行。研究表明，活性炭的催化性能与其表面酸性位点的类型和密度密切相关。例如，磺酸化的活性炭在催化纤维素水解反应中表现出更高的活性，这主要是由于磺酸基团(-SO₃H)具有更强的酸性和更高的质子提供能力。此外，活性炭的孔隙结构也会影响催化效果，适当的介孔比例有利于纤维素分子的传质和吸附。
活性炭在催化醇类脱水制烯烃等反应中也表现出良好的催化性能。这些反应通常在酸性条件下进行，活性炭表面的酸性基团是主要的活性位点。
活性炭催化脱水的主要机制包括：
酸性位点催化机制：活性炭表面的酸性基团可以提供质子，催化醇分子的脱水反应。ROH + H^+ → ROH_2^+
ROH_2^+ → R^+ + H_2O
R^+ → Alkene + H^+
吸附-催化协同机制：活性炭首先吸附醇分子，然后在其表面进行催化脱水，这种吸附-催化协同作用可以显著提高反应效率。表面疏水性影响机制：活性炭表面的疏水性可以影响反应的选择性，适当的疏水性有利于烯烃的生成。研究表明，活性炭的催化性能与其表面酸性位点的类型和密度密切相关。例如，磷酸活化的活性炭在催化脱水反应中表现出更高的活性，这主要是由于磷酸基团的引入增加了活性炭表面的酸性位点。此外，活性炭的孔隙结构也会影响催化效果，适当的微孔比例有利于醇分子的吸附和活化。
活性炭作为催化剂载体，特别适合负载过渡金属(如Fe、Co、Ni、Cu等)用于催化氧化反应。这些催化剂在处理有机废水、净化空气等领域有广泛应用。
活性炭负载过渡金属催化剂的主要催化机制包括：
金属-载体协同作用机制：过渡金属与活性炭载体之间存在强相互作用，这种相互作用可以改变金属的电子状态和分散度，从而提高催化剂的活性和稳定性。电子转移机制：活性炭作为电子传递体，可以促进金属活性位点与反应物之间的电子转移，加速氧化反应的进行。自由基生成机制：金属活性位点可以催化氧化剂分解，生成羟基自由基等活性氧物种，这些自由基进一步氧化有机物。M^{n+} + H_2O_2 → M^{(n+1)+} + ·OH + OH^-
M^{(n+1)+} + H_2O_2 → M^{n+} + ·O_2H + H^+
研究表明，活性炭负载过渡金属催化剂的性能受到多种因素的影响。例如，金属负载量、金属颗粒大小、金属分散度以及金属与活性炭载体之间的相互作用都会影响催化剂的活性。此外，活性炭的表面性质和孔隙结构也会影响金属的负载和分散，进而影响催化性能。
活性炭负载贵金属(如Pt、Pd、Ru等)催化剂在催化还原反应中表现出优异的性能。这些催化剂在加氢反应、脱卤反应、硝基还原等领域有广泛应用。
活性炭负载贵金属催化剂的主要催化机制包括：
金属-载体协同作用机制：贵金属与活性炭载体之间存在强相互作用，这种相互作用可以提高贵金属的分散度和稳定性，同时调节贵金属的电子状态，优化其催化性能。电子转移机制：活性炭作为电子传递体，可以促进贵金属活性位点与反应物之间的电子转移，加速还原反应的进行。活性氢物种生成机制：贵金属活性位点可以催化氢气分子的解离，生成活性氢物种，这些氢物种进一步参与还原反应。H_2 + 2M → 2M-H
M-H + R → RH + M
研究表明，活性炭负载贵金属催化剂的性能受到多种因素的影响。例如，贵金属负载量、贵金属颗粒大小、贵金属分散度以及贵金属与活性炭载体之间的相互作用都会影响催化剂的活性。此外，活性炭的表面性质和孔隙结构也会影响贵金属的负载和分散，进而影响催化性能。
活性炭负载双金属催化剂(如Pt-Pd、Ni-Cu、Fe-Co等)在催化反应中表现出独特的协同效应，其催化性能往往优于单金属催化剂。这些催化剂在加氢、脱氢、氧化等多种反应中都有广泛应用。
活性炭负载双金属催化剂的主要协同催化机制包括：
电子效应机制：两种金属之间存在电子相互作用，这种作用可以调节金属的电子状态，优化其对反应物的吸附和活化能力。几何效应机制：双金属的组合可以形成特定的几何结构，提供更多的活性位点和更合适的反应空间，促进反应的进行。协同吸附机制：两种金属可以分别吸附不同的反应物，促进它们之间的反应，提高反应效率。研究表明，活性炭负载双金属催化剂的性能受到多种因素的影响。例如，金属组成、金属比例、金属颗粒大小、金属分散度以及金属与活性炭载体之间的相互作用都会影响催化剂的活性和选择性。此外，活性炭的表面性质和孔隙结构也会影响双金属的负载和分散，进而影响催化性能。
活性炭负载铁氧化物(如Fe₂O₃、Fe₃O₄等)催化剂在催化氧化、还原、降解等多种反应中表现出良好的催化性能。这些催化剂在处理含酚废水、降解有机污染物等领域有广泛应用。
活性炭负载铁氧化物催化剂的主要催化机制包括：
铁-碳协同作用机制：铁氧化物与活性炭载体之间存在强相互作用，这种相互作用可以提高铁氧化物的分散度和稳定性，同时调节铁的电子状态，优化其催化性能。Fenton-like反应机制：在过氧化氢存在下，铁氧化物可以催化过氧化氢分解，生成羟基自由基等活性氧物种，这些自由基进一步氧化有机物。Fe^{3+} + H_2O_2 → Fe^{2+} + ·O_2H + H^+
Fe^{2+} + H_2O_2 → Fe^{3+} + ·OH + OH^-
电子转移机制：活性炭作为电子传递体，可以促进铁氧化物与反应物之间的电子转移，加速反应的进行。研究表明，活性炭负载铁氧化物催化剂的性能受到多种因素的影响。例如，铁负载量、铁氧化物形态、铁氧化物分散度以及铁与活性炭载体之间的相互作用都会影响催化剂的活性和稳定性。此外，活性炭的表面性质和孔隙结构也会影响铁氧化物的负载和分散，进而影响催化性能。
活性炭负载TiO₂催化剂在光催化降解有机污染物领域有广泛应用。这些催化剂结合了活性炭的吸附性能和TiO₂的光催化活性，表现出协同效应。
活性炭负载TiO₂催化剂的主要光催化机制包括：
光生载流子分离机制：TiO₂吸收光子后产生电子-空穴对，活性炭作为电子受体，可以捕获光生电子，抑制电子-空穴对的复合，提高光催化效率。TiO₂ + hv → TiO₂(e^- + h^+)
e^- + AC → AC^-
h^+ + H_2O → ·OH + H^+
吸附-光催化协同机制：活性炭首先吸附有机物，然后在TiO₂表面进行光催化降解，这种吸附-光催化协同作用可以显著提高反应效率。电子转移机制：活性炭作为电子传递体，可以促进光生电子与氧气分子的反应，生成超氧自由基等活性氧物种。AC^- + O_2 → AC + ·O_2^-
·O_2^- + H^+ → ·O_2H
2·O_2H → H_2O_2 + O_2
H_2O_2 → 2·OH
研究表明，活性炭负载TiO₂催化剂的性能受到多种因素的影响。例如，TiO₂负载量、TiO₂颗粒大小、TiO₂与活性炭载体之间的相互作用以及光的波长和强度都会影响催化剂的光催化活性。此外，活性炭的表面性质和孔隙结构也会影响TiO₂的负载和分散，进而影响催化性能。
活性炭负载复合金属氧化物(如MnO₂-TiO₂、Fe₂O₃-CeO₂等)催化剂在催化氧化、还原、降解等多种反应中表现出更优异的性能。这些催化剂结合了多种金属氧化物的优势，具有更高的活性、选择性和稳定性。
活性炭负载复合金属氧化物催化剂的主要催化机制包括：
协同催化机制：不同金属氧化物之间存在协同作用，这种作用可以提高催化剂的活性和选择性。例如，MnO₂和TiO₂的组合可以形成异质结，促进光生载流子的分离，提高光催化效率。电子转移机制：活性炭作为电子传递体，可以促进复合金属氧化物与反应物之间的电子转移，加速反应的进行。活性氧物种生成机制：复合金属氧化物可以催化氧化剂分解，生成多种活性氧物种，这些物种进一步氧化有机物。研究表明，活性炭负载复合金属氧化物催化剂的性能受到多种因素的影响。例如，金属氧化物组成、金属氧化物比例、金属氧化物颗粒大小、金属氧化物分散度以及金属氧化物与活性炭载体之间的相互作用都会影响催化剂的活性和选择性。此外，活性炭的表面性质和孔隙结构也会影响复合金属氧化物的负载和分散，进而影响催化性能。
活性炭负载其他碳基材料(如碳纳米管、石墨烯、碳量子点等)催化剂在催化领域展现出广阔的应用前景。这些催化剂结合了不同碳材料的优势，表现出优异的协同催化性能。
活性炭负载碳基材料催化剂的主要协同催化机制包括：
电子协同机制：不同碳材料之间存在电子相互作用，这种作用可以调节材料的电子状态，优化其对反应物的吸附和活化能力。结构协同机制：不同碳材料的组合可以形成特定的结构，提供更多的活性位点和更合适的反应空间，促进反应的进行。功能协同机制：不同碳材料具有不同的功能特性，如吸附性、导电性、催化活性等，这些特性的协同作用可以显著提高催化剂的整体性能。研究表明，活性炭负载碳基材料催化剂的性能受到多种因素的影响。例如，碳基材料类型、碳基材料含量、碳基材料与活性炭载体之间的相互作用以及制备方法都会影响催化剂的活性和选择性。此外，活性炭的表面性质和孔隙结构也会影响碳基材料的负载和分散，进而影响催化性能。
金属有机框架(Metal-Organic Frameworks, MOFs)衍生材料是一类新型的多孔材料，具有高比表面积、可调孔结构和丰富的金属位点等特点。将这些材料负载在活性炭上，可以制备出高性能的复合催化剂。
活性炭负载MOFs衍生材料催化剂的主要催化机制包括：
金属-碳协同作用机制：MOFs衍生材料中的金属位点与活性炭载体之间存在强相互作用，这种作用可以调节金属的电子状态，优化其催化性能。多孔结构协同机制：MOFs衍生材料和活性炭都具有多孔结构，这种多级孔结构有利于反应物的传质和扩散，提高反应效率。电子转移机制：活性炭作为电子传递体，可以促进MOFs衍生材料与反应物之间的电子转移，加速反应的进行。研究表明，活性炭负载MOFs衍生材料催化剂的性能受到多种因素的影响。例如，MOFs类型、热解温度、金属负载量、金属颗粒大小以及金属与活性炭载体之间的相互作用都会影响催化剂的活性和选择性。此外，活性炭的表面性质和孔隙结构也会影响MOFs衍生材料的负载和分散，进而影响催化性能。
活性炭的制备方法直接影响其物理结构、化学组成和电子性质，进而影响其催化性能。常见的活性炭制备方法包括物理活化法、化学活化法和模板法等。
物理活化法通常以水蒸气、二氧化碳等为活化剂，在高温下对炭化后的碳材料进行活化处理。这种方法制备的活性炭具有发达的微孔结构和高比表面积，适合作为吸附型催化剂或催化剂载体。例如，水蒸气活化的活性炭通常具有较高的比表面积和丰富的表面羟基，在催化臭氧氧化反应中表现出优异的性能。
化学活化法通常使用化学试剂(如KOH、NaOH、H₃PO₄、ZnCl₂等)与生物质或煤炭等原料混合，然后进行炭化和活化处理。这种方法制备的活性炭具有更丰富的孔隙结构和更复杂的表面官能团。例如，KOH活化的活性炭通常具有更高的比表面积和更发达的微孔结构，在催化还原反应中表现出优异的性能。
模板法是一种新型的活性炭制备方法，通过使用模板剂可以精确控制活性炭的孔隙结构和形貌。这种方法制备的活性炭具有高度有序的孔结构和均匀的孔径分布，适合作为特定反应的催化剂或催化剂载体。例如，使用SiO₂作为硬模板可以制备出具有介孔结构的活性炭，这种活性炭在催化大分子有机物降解反应中表现出优异的性能。
活性炭的改性方法可以分为物理改性和化学改性两大类，这些方法可以调控活性炭的物理结构、表面官能团和电子性质，从而优化其催化性能。
物理改性主要通过热处理、微波处理等方法改变活性炭的物理结构和电子性质。例如，在惰性气氛下对活性炭进行高温热处理可以提高其石墨化程度，增强其电子传导能力，从而提高其在氧化还原反应中的催化活性。此外，微波处理可以在短时间内实现活性炭的快速加热和活化，产生更多的表面缺陷和活性位点。
化学改性主要通过酸碱处理、氧化还原处理、掺杂处理等方法改变活性炭的表面官能团和电子性质。例如，硝酸氧化可以在活性炭表面引入大量的羧基、羟基等酸性官能团，提高其在酸催化反应中的活性。而氨处理则可以在活性炭表面引入含氮官能团，增强其在氧化反应中的活性。此外，金属盐浸渍可以在活性炭表面负载金属或金属氧化物，赋予其新的催化性能。
反应条件(如温度、pH值、反应物浓度、反应时间等)对活性炭的催化性能也有重要影响。
温度是影响催化反应速率的关键因素之一。一般来说，温度升高会增加反应物分子的动能和扩散速率，提高反应速率。但温度过高也可能导致催化剂失活或副反应增加。例如，在活性炭催化湿式氧化反应中，温度通常控制在150-300℃之间，以平衡反应速率和能量消耗。
pH值会影响活性炭表面官能团的质子化状态和反应物的存在形式，从而影响催化反应的进行。例如，在活性炭催化臭氧氧化反应中，pH值会影响臭氧的分解速率和羟基自由基的生成效率。在酸性条件下，臭氧主要通过直接氧化作用降解有机物；而在碱性条件下，臭氧更容易分解产生羟基自由基，增强氧化能力。
反应物浓度也会影响催化反应的速率和选择性。在低浓度范围内，反应速率通常随反应物浓度的增加而增加；但当浓度达到一定值后，反应速率可能趋于稳定或下降。例如，在活性炭催化还原六价铬的反应中，六价铬的初始浓度通常控制在50-200 mg/L之间，以获得较高的还原效率和经济性。
反应时间是影响反应物转化率和产物选择性的重要因素。在实际应用中，需要根据反应动力学和经济性综合考虑最佳反应时间。例如，在活性炭催化湿式氧化反应中，反应时间通常控制在0.5-4小时之间，以获得较高的有机物去除率和能量效率。
活性炭催化技术在处理各种有机废水(如含酚废水、含染料废水、制药废水等)中展现出广阔的应用前景。这些技术包括催化臭氧氧化、催化湿式氧化、催化过氧化氢氧化等。
在催化臭氧氧化处理有机废水中，活性炭可以显著提高臭氧的利用效率和有机物的矿化程度。例如，研究表明，在处理含硝基咪唑的废水中，加入500 mg/L的活性炭可以将有机物的去除率提高30%，同时大幅降低副产物的生物毒性。
在催化湿式氧化处理高浓度有机废水中，活性炭作为催化剂或催化剂载体可以显著降低反应温度和压力，提高有机物的降解效率。例如，在处理含酚废水时，活性炭催化湿式氧化可以在150-200℃和1-5 MPa的条件下实现苯酚的高效降解和矿化。
在催化过氧化氢氧化处理难降解有机废水中，活性炭可以催化过氧化氢分解生成羟基自由基，显著提高有机物的降解效率。例如，在处理含4-氯酚的废水中，活性炭催化过氧化氢氧化可以在常温常压下实现4-氯酚的高效降解和脱氯。
活性炭催化技术在大气污染控制领域也有广泛应用，特别是在处理挥发性有机物(VOCs)、氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO₂)等污染物方面。
在处理VOCs方面，活性炭催化氧化技术可以在较低温度下将VOCs氧化为二氧化碳和水。例如，负载过渡金属(如Pt、Pd、Mn等)的活性炭催化剂在催化燃烧VOCs中表现出优异的性能，具有低起燃温度、高转化率和良好的稳定性。
在处理NOx方面，活性炭选择性催化还原(SCR)技术是一种有效的脱硝方法。例如，负载铁氧化物的活性炭催化剂在低温(100-200℃)SCR脱硝中表现出优异的性能，NOx转化率可达95%以上。
在处理SO₂方面，活性炭吸附-催化氧化技术是一种成熟的脱硫方法。活性炭首先吸附SO₂，然后在其表面将SO₂催化氧化为SO₃，SO₃与水反应生成硫酸，从而实现SO₂的去除。
活性炭催化技术在土壤和地下水修复领域也有重要应用，特别是在处理重金属污染和有机污染方面。
在处理重金属污染方面，活性炭可以通过吸附和催化还原作用去除土壤和地下水中的重金属离子。例如，活性炭负载零价铁(Fe⁰)复合材料在去除六价铬污染方面表现出优异的性能，在pH=2、反应温度30℃、初始浓度50 mg/L和反应时间10分钟的条件下，去除率可达99.8%。
在处理有机污染方面，活性炭催化氧化技术可以有效降解土壤和地下水中的有机污染物。例如，活性炭催化过硫酸盐氧化技术可以在常温常压下降解土壤和地下水中的多环芳烃、农药等有机污染物，降解效率可达90%以上。
活性炭催化技术在能源与化工领域有广泛应用，特别是在催化加氢和脱氢反应中。
在催化加氢反应中，活性炭负载贵金属(如Pt、Pd、Ru等)催化剂在硝基化合物加氢制胺、烯烃加氢制烷烃、醛酮加氢制醇等反应中表现出优异的性能。例如，活性炭负载Pt催化剂在硝基苯加氢制苯胺反应中表现出高活性和高选择性，苯胺收率可达99%以上。
在催化脱氢反应中，活性炭负载过渡金属(如Ni、Cu等)催化剂在醇类脱氢制醛酮、烷烃脱氢制烯烃等反应中表现出良好的催化性能。例如，活性炭负载Ni催化剂在环己烷脱氢制苯反应中表现出高活性和稳定性，环己烷转化率可达95%以上。
活性炭催化技术在催化重整和裂解反应中也有重要应用。
在催化重整反应中，活性炭负载过渡金属(如Ni、Co等)催化剂在甲烷重整制合成气、生物质焦油重整制清洁燃料等反应中表现出优异的性能。例如，活性炭负载Ni催化剂在甲烷重整制合成气反应中表现出高活性和稳定性，甲烷转化率可达90%以上。
在催化裂解反应中，活性炭负载过渡金属(如Fe、Ni等)催化剂在重油裂解制轻质油、生物质裂解制生物油等反应中表现出良好的催化性能。例如，活性炭负载Fe催化剂在重油裂解反应中表现出高活性和选择性，轻质油收率可达70%以上。
活性炭催化技术在燃料电池和电化学催化领域也有重要应用。
在燃料电池中，活性炭负载贵金属(如Pt、Pd等)催化剂是常用的氧还原反应(ORR)和析氢反应(HER)催化剂。例如，活性炭负载Pt催化剂在质子交换膜燃料电池中表现出高活性和稳定性，氧还原电流密度可达数A/cm²。
在电化学催化中，活性炭作为电极材料或催化剂载体可以显著提高电化学反应的效率。例如，活性炭纤维负载Fe⁰在电化学还原六价铬的反应中表现出优异的性能，在pH=2、反应温度30℃、初始浓度50 mg/L和反应时间10分钟的条件下，六价铬的去除率可达99.8%。
活性炭催化技术在食品加工和保鲜领域也有应用。
在食品加工中，活性炭作为催化剂或催化剂载体可以用于油脂氢化、糖液脱色、香料合成等过程。例如，活性炭负载Pt催化剂在油脂氢化反应中表现出高活性和选择性，可以有效提高油脂的稳定性和品质。
在食品保鲜中，活性炭可以用于吸附食品中的异味物质和有害气体，延长食品的保质期。例如，活性炭可以有效吸附水果和蔬菜释放的乙烯气体，延缓其成熟和腐烂过程。
活性炭催化技术在药物合成和分离领域也有重要应用。
在药物合成中，活性炭负载贵金属或过渡金属催化剂可以用于催化氢化、氧化、偶联等反应，这些反应是合成许多重要药物的关键步骤。例如，活性炭负载Pd催化剂在药物合成中的C-C偶联反应中表现出高活性和选择性，可以有效提高药物的合成效率和纯度。
在药物分离中，活性炭可以用于吸附和分离药物中的杂质和副产物，提高药物的纯度和质量。例如，活性炭可以有效吸附抗生素发酵液中的色素和蛋白质等杂质，提高抗生素的纯度和稳定性。
本文全面梳理了活性炭在各类催化反应中的应用及其催化原理。通过对活性炭的结构特征、催化反应类型、影响因素和应用领域的系统分析，可以得出以下主要结论：
活性炭的催化性能主要源于其独特的物理结构(高比表面积、发达孔隙结构)、丰富的表面官能团和优良的电子传导能力。这些特性使其不仅可以直接作为催化剂参与多种化学反应，还能作为催化剂载体，为活性组分提供高分散的支撑平台。活性炭作为催化剂可以参与多种化学反应，包括氧化反应、还原反应、水解反应等。在这些反应中，活性炭主要通过自由基生成机制、电子转移机制和吸附-催化协同机制发挥催化作用。活性炭作为催化剂载体特别适合负载过渡金属、贵金属和金属氧化物等活性组分。这些催化剂在处理有机废水、降解大气污染物、催化加氢脱氢等领域展现出优异的性能。活性炭负载催化剂的主要催化机制包括金属-碳协同作用机制、电子转移机制和活性氧物种生成机制等。活性炭的催化性能受到多种因素的影响，包括制备方法、改性方法和反应条件等。通过选择合适的制备和改性方法，可以调控活性炭的物理结构、表面官能团和电子性质，从而优化其催化性能。活性炭催化技术在环境污染物降解、能源与化工、食品与医药等领域有广泛应用。这些技术具有高效、环保、经济等优势，为解决环境问题和促进可持续发展提供了重要技术支持。尽管活性炭催化技术已取得了显著进展，但仍面临一些挑战和机遇。未来研究可以从以下几个方面展开：
新型活性炭材料的设计与制备：开发具有特定孔结构、表面官能团和电子性质的新型活性炭材料，如有序介孔活性炭、杂原子掺杂活性炭、复合碳材料等，以满足不同催化反应的需求。活性炭催化机制的深入研究：利用先进的表征技术(如原位表征、同步辐射等)深入研究活性炭催化反应的微观机制，揭示结构-性能关系，为催化剂的理性设计提供理论指导。高效活性炭负载催化剂的开发：开发高活性、高选择性、高稳定性的活性炭负载催化剂，特别是针对复杂反应体系的多功能复合催化剂。活性炭催化技术的工程应用：加强活性炭催化技术的工程应用研究，解决催化剂的规模化制备、反应器设计、工艺优化等关键问题，推动实验室成果向产业化转化。活性炭催化技术的集成与创新：将活性炭催化技术与其他技术(如生物技术、光电技术等)集成，开发新型复合工艺，提高污染物降解效率和资源利用率。总之，随着材料科学、催化科学和环境科学的不断发展，活性炭催化技术将在更广泛的领域发挥重要作用，为解决环境问题、促进可持续发展提供更多创新解决方案。
来源：化学科研民工