随着材料和表征技术领域的发展，各种结构新颖、性能各异的炭材料，如富勒烯、纳米碳管、石墨烯、石墨、纳米金刚石、无定形炭等一系列新型炭材料的不断涌现，其独特的物理及化学性质，良好的热力学及化学稳定性使其在传感器、纳米生物反应器、燃料电池、双层电容器、催化等众多新领域的应用中都表现出了优异的性能^[1~6]。

多孔炭材料是指以碳作为基本骨架，并具有不同孔隙结构的材料。这类材料通常具有发达的孔隙、高的比表面积、优良的耐热、耐酸碱及独特的电子传导性质，是现代工业中不可缺少的重要材料之一，广泛应用于吸附、催化、电子等技术领域^[7~9]。但由于多孔炭材料本身的化学稳定性高、表面反应活性低，对其进行改性并不容易。现行较为有效的改性方法是用强氧化性的酸对多孔炭材料进行处理，但这种方法的缺点是对炭材料的孔壁结构产生一定的刻蚀作用，使材料的孔道结构遭到不同程度的破坏，而且表面官能团的种类、数量和重现性也很难得到有效控制。经过不断研究，杂原子掺杂是有效改变多孔炭材料表面性质的手段，目前已经有多种杂原子，如氮、氧、磷、硼、卤素等被成功引入到多孔炭材料中。根据材料中引入杂原子的种类和存在状态的不同，材料也相应具有了不同的性质，如酸碱性、亲疏水性、氧化还原性、抗氧化性、表面极性等^[10~13]。氮元素在元素周期表中和碳元素相邻，与碳原子的直径相比差别不大，采用氮元素部分替代炭材料中的碳原子时，材料的结构不会发生较大的畸变，相对其他原子的取代更容易进行。因此，氮原子被认为是替代材料中碳原子的最理想原子。氮元素进入到多孔炭材料的纳米结构后，使碳层中石墨层间产生位错、弯曲、离位等具有不成对电子的缺陷位；同时氮原子的引入可在炭材料的表面形成局部官能团，并且氮原子的孤对电子还能为碳的sp²杂化结构离域π体系带来负电荷，可以增强其导电性能。因此，氮元素的引入可以有效地调变炭材料的形态、结构和化学性能，从而改变其反应活性^[14~22]。

氮掺杂多孔炭材料由于其优异的结构及性能，越来越多地受到广大研究者的关注，随着研究的不断深入，新型氮掺杂多孔炭材料不断涌现并被广泛应用于多相催化领域。

本文主要介绍氮掺杂多孔炭材料的制备方法及应用方面的研究进展。

氮掺杂多孔炭材料，其引入的氮原子主要是与sp²杂化的碳原子进行键合。因此，氮掺杂多孔炭材料的性能主要决定于引入到炭材料中的氮原子与碳原子的配位关系，组成炭材料的氮原子所处的化学环境是决定材料性能的关键。

根据氮原子所处化学环境的不同，可将材料中的氮原子分为化学氮和结构氮。化学氮主要以表面官能团(如氨基或亚硝酰基等含氮基团)的形式存在于材料表面，能够提高材料的B-碱性。但化学氮较易发生化学反应，且高温下易分解，稳定性较差。结构氮是指氮原子进入炭的骨架中与碳原子以原子键的形式结合，能够增强材料的L-碱性。具体又可以分为吡啶氮、吡咯氮、石墨型氮和氮氧化合物等。石墨型氮直接取代石墨晶格中的碳原子，形成饱和的氮原子；吡咯氮与吡啶氮则为不饱和氮原子，在取代碳原子的同时，造成临近碳原子的缺失，形成缺陷位。图式1和图式2中为氮掺杂炭材料中氮元素可能的存在形式^{[23, 24]}。

氮掺杂多孔炭材料的制备方法主要可分为两大类(图 1)：原位合成法和后处理法。按照对含氮前体的处理方式，原位合成法可分为液相模板法、气相模板法、水热法、直接热解法和化学反应法。后处理法又可分为干法和湿法两种。

原位合成法是以富氮有机物为前体，在制备过程中直接将氮原子引入。所采用的富氮前体一般来源于含氮有机物(如三聚氰胺、乙腈、氨化蔗糖、苯胺及其他含氮杂环化合物)、生物质原料(如蜂蜜、虾壳、动物内脏等)和离子液体等。

液相模板法是将富氮前体以液相的形式与模板以浸渍、回流等方式充分混合，在高温下炭化后除去模板得到氮掺杂多孔炭材料。液相富氮前体与模板混合的均匀性及充分性，是得到结构稳定、氮含量丰富的氮掺杂多孔炭材料的关键。

Lu等^[25]用生物质原料蜂蜜为富氮前体，SBA-15为模板，成功制备具有较高比表面积、较高氮含量(1%(质量比，下同))的氮掺杂中孔炭材料。Gadiou等^[26]以氨基糖为富氮前体，SBA-15为模板，通过两次浸渍的方法将富氮前体与模板充分混合，炭化除模板后得到氮掺杂中孔炭。该材料的比表面积达到1000~1300 m²/g，且氮含量为2%~5%。Vinu^[27]通过将乙二胺、四氯化碳、SBA-15共混回流，使氮、炭前体能够更好与模板剂混合，高温炭化得到高氮含量(18%左右)且孔径可调的氮掺杂中孔炭。Paraknowitsch等^[28]使用含氮离子液体为前体、SBA-15为模板剂，合成了氮掺杂量为8.9%~18.8%、具有类石墨结构的氮掺杂中孔炭材料，并指出离子液体是一种类较为理想的合成含氮多孔炭材料的前体。Shao等^[29]以同时具有介孔和大孔结构的氧化钛材料为模板剂，维生素B6(VB6)为碳源和氮源，合成出了一类氮掺杂多孔炭材料。通过改变制备过程中VB6和模板剂的用量有效地调变材料的结构，只有适当VB6添加量才能实现对模板剂的有效复制。

液相模板法制备氮掺杂多孔炭材料，其中需要用到具有一定孔结构的模板来调控材料的结构，此种方法制备的氮掺杂多孔炭材料完美地复制了模板的孔结构，具有较高的比表面积以及氮含量，但制备过程较为繁杂。

气相沉积法是以富氮气体/含氮混合气为富氮气源，在高温下沉积至模板上，随后除去模板得到氮掺杂多孔炭材料，常用的富氮气源有乙腈、氨气等。

Chizari等^[30]以氨气为氮源，甲烷为炭源，以Al₂O₃做模板，采用气相沉积的方式成功制备了氮含量2%~6%的氮掺杂多孔炭材料。Mokaya等^[31]将乙腈和苯乙烯作为富氮气体，以SBA-15为模板，成功制备了氮含量接近10%的氮掺杂中孔炭。他们的结果表明，温度为550~850℃时，处理温度越高，氮元素越难被掺入材料中，但温度升高至850℃以上时，温度越高，氮元素的掺杂量越高。原因归结于C-C键的结合能高于C-N键，高温下更倾向于生成C-C键，温度高至一定程度时，产生的多种碳的同素异形体使得氮元素掺杂更易进行。处理温度为1000℃，所得的材料具有较高的石墨化程度，氮元素主要以吡啶氮的形式存在。

气相模板法广泛应用在对炭材料的结构及氮含量要求不是很高的情况下。其操作过程简易，对孔结构不是很发达的材料有一定的扩孔作用。但其缺陷在于以气相模板法制备的氮掺杂多孔炭材料容易引起孔结构的坍塌，且材料中氮含量一般都较低。

水热法是以含氮有机化合物为原料，大多使用生物质及生物质衍生物(如树叶、微藻、纤维素和糖类等)的溶液在较低的温度下于反应釜的高压的条件下炭化形成氮掺杂多孔炭材料。主要以水为溶剂，以生物质为原料，可被视为生物质资源转化的一种方式。

Titirici等^[32]报道了以甲壳素和氨基葡萄糖作为原料，在180℃下水热炭化过夜，得到一系列氮含量为6.3%~9.4%的氮掺杂多孔炭材料，原料中的氮元素很好地保留在产品中。与葡萄糖制备的炭材料相比，甲壳素和氨基葡萄糖制备的材料结构单元更小。该方法在180℃水热制备的材料的比表面积都小于10m²/g。对于水热炭材料在750℃下氮气中热处理后，比表面积可增大到30~50 m²/g，主要由微孔组成。

水热法直接制备氮掺杂炭材料的比表面积较小，限制了其在各个领域的应用。研究者们通过对水热炭化过程进行改进、水热处理的过程中引入模板或者进行后期处理来有效提高比表面积。

Sevilla等^[33]利用微藻为原料，水热处理制备氮掺杂多孔炭材料，利用KOH活化法进行扩孔。将材料与KOH以不同比例混合，在650~750 ℃进行活化，制备了高比表面积的氮掺杂多孔炭材料。经过优化，所制备的氮掺杂多孔炭的比表面积可达2390m²/g，以微孔为主，氮含量可达到4.65%。Titirici等^[34]将纳米SiO₂作为硬模板引入到水热过程中。利用表面亲水性不同的SiO₂球作模板，通过调节原料和模板比例，得到了系列氮掺杂多孔炭材料，其比表面积最高可达200m²/g。Kubo等^[35]以果糖作为原料、双亲性嵌段共聚物F127作为软模板，在130℃下水热炭化72h得到氮掺杂多孔炭材料，其比表面积可以达到257m²/g。

水热法制备的氮掺杂多孔炭，其表面官能团丰富且制备过程较为简易，要求温度较低。但水热法制备的炭材料热稳定性差、含氧量较高，且制备的材料大多需要进行后处理，这在一定程度上限制了其的应用。

直接热解法是以含氮化合物(多为高分子有机物)为原料，在惰性气氛下经过高温炭化直接合成氮掺杂多孔炭材料。目前，运用的含氮化合物有含氮的煤炭、含氮聚合物(聚苯胺^[36]、聚吡咯^[37]等)、含氮前体和不含氮化合物的混合物、生物质原料^{[38, 39]}等。

Kang等^[40]用吡咯与模板碱式碳酸镁混合后在高温下直接热解合成了氮含量在4%左右的氮掺杂中孔炭材料，运用于生物传感器领域。Chang等^[41]利用聚苯胺作为前体，在高温下直接裂解得到氮掺杂炭材料，并利用KOH对其进行扩孔活化处理，得到氮掺杂多孔炭材料比表面积为1300~2300 m²/g，其氮含量为2.4%~9.4%，随着裂解温度的升高，氮含量有所降低。Sevilla等^[42]以聚吡咯(PPy)为原料、KOH为活化剂，在600~850 ℃条件下活化1h，制备了高比表面积的聚吡咯基氮掺杂多孔炭材料。随着活化温度的升高，比表面积不断提高，总孔容不断增大，而氧含量显著减小。当PPy/KOH为2:1、活化温度为600℃时，所得材料比表面积为1700m²/g，且氮含量高达10.14%。经XPS分析表明，氮元素主要存在形式为吡咯型氮。Xing等^[43]将黄豆渣炭化后，采用KOH活化制备一系列氮掺杂多孔炭材料，并研究其CO₂吸附性能。该材料的比表面积达到1000m²/g以上，氮含量为2.8%左右。他们指出，炭材料表面氮原子的引入，可以增加炭材料表面和CO₂分子之间的氧键作用。

直接热解法操作简易且氮原子在合成的材料中分布较为均匀，但材料的内部结构难以调控。

化学反应法是指先将反应物质在一定条件下发生化学反应生成富氮前体及碳前体，然后经炭化制备氮掺杂多孔炭材料。

Gao等^[44]将苯胺、苯基乙醇胺、PVP混合后，加入H₂PtCl₆发生反应，炭化后成功合成了含Pt的氮掺杂中孔炭材料并用于氧还原反应(ORR)中，在活性、稳定性及选择性方面表现优异。Yu等^[45]利用间二苯酚、三聚氰胺、甲醛、F127间发生化学反应，炭化后合成了氮含量在2.5%的氮掺杂多孔炭材料。

化学反应法能够一步合成氮掺杂炭材料，制备过程非常简单，但以此方法制备的氮掺杂多孔炭材料的内部结构难以调控。

原位合成法制备的氮掺杂多孔炭材料中氮元素主要以结构氮的形式存在于炭材料的骨架中，且氮含量一般较高，分布较为均匀。

后处理法是在预先合成的炭材料上以适当的方式用含氮物质对其进行再处理，从而得到氮掺杂多孔炭。常用含氮物质主要有三聚氰胺、尿素、氨气等。

后处理法制备的氮掺杂多孔炭材料中氮元素主要是以化学氮的形式存在，当处理温度非常高时，材料中也会存在部分结构氮。

干法主要是将炭材料置于含氮(如氨气、氮气、氰化氢等)的功能性气氛中在高温或/和高压条件下将氮元素引入到材料表面。处理温度与氮源是影响氮的含量及存在形式的主要因素。

氨气作为常见的气态氮源，用其进行后处理对炭材料结构的破坏不是很明显，但氮掺杂量及存在形式都受到比较大的限制。Dastghei等^[46]对两种商业活性炭(木质炭及煤质炭)在高温下(300~1000 ℃)进行氨气后处理，处理后的氮含量可达7%~8%，表面碱性增强，等电点从1.9增加到7~8。Palma等^[47]和Silva等^[48]采用了比表面积为1288m²/g的活性炭为材料，在200~600 ℃条件下进行氨气处理，成功得到氮掺杂活性炭材料，其表面积及孔容在高温处理后均有所下降。不同温度处理后的氮含量在0.7%~3.83%。结果表明，该氮掺杂活性炭材料表面出现新的酸性基团及碱性活性位。Kim等^[49]以SBA-15为模板、蔗糖为碳源先制备中孔炭，然后在300℃下用氨气/空气(体积比为1:1)混合气处理，得到氮掺杂中孔炭材料。对于预先制备的多孔炭，同样可以通过NH₃进行后处理而有效引入氮原子，氮含量可高达8%。

尿素等含氮有机物与惰性气体的混合气，也是作为后处理法制备氮掺杂多孔炭有效的气源。Stavropoulos等^[50]和Pietrzak等^[51]分别以尿素-氦气、尿素-空气作为氮源气体对活性炭分别在400℃和800℃条件下进行处理，结果表明，尿素-氦气处理的活性炭的比表面积及孔容均有所上升，且氮含量为6.52%；但是尿素-空气处理的活性炭材料其比表面积和孔容均有所下降，而结构并没有发生很大的变化，且氮含量达到5%~8%。

湿法是将预先制备的炭材料分散在含氮液相前体中，通过一定的化学反应在炭材料表面嫁接上某些含氮表面基团。

Bashkov等^[52]选用三种不同来源的活性炭(煤质炭、椰壳炭和木质炭)，使用尿素饱和溶液搅拌24h后，在氮气中高温(450℃/950℃)热处理1h，成功得到氮掺杂活性炭。结果表明，比表面积及孔容与活性炭来源和处理温度有着很大的关系，但处理后材料表面的碱性均有所增加。Bagree等^[53]分别采用硝酸-三聚氰胺与三聚氰胺-尿素混合液为含氮液相处理剂，在高温下对活性炭进行处理，制备氮掺杂活性炭的比表面积有所下降，材料表面碱性增强。

后处理法操作简单，能够对现有的炭材料进行改性。但该法制备的氮掺杂炭材料可能会造成原材料结构坍塌，且一般含氮量较低。

随着研究的深入，各种新型制备方法不断被开发出来，结构特定、性能优异的氮掺杂多孔炭材料也应运而生，为氮掺杂多孔炭材料在各领域中的应用打下了坚实的基础。

氮掺杂多孔炭材料主要是将氮原子引入碳骨架中，使碳层中石墨层间产生位错、弯曲、离位等具有不成对电子的缺陷位。同时氮原子的引入可在炭材料的表面形成局部官能团，使炭材料表面具有一定的碱性，并且氮可以提供一对核外电子，可以增强其导电性能，提高极性及电子传输性能等。和炭材料相比，氮掺杂多孔炭材料由于其优异的结构及性能，在催化领域的应用受到越来越多的关注。根据氮掺杂多孔炭材料在催化领域的用途不同，分别从催化剂载体和非金属催化剂两个方面进行介绍。

众所周知，要使得金属粒子很好地负载在表面化学惰性且疏水的炭材料表面，需要对炭材料进行氧化、热处理等表面处理，但经过这些处理后炭材料本身的结构及性质都有一定程度上的破坏，而且引入的主要是酸性基团，反应过程会产生积碳，而且对负载金属催化剂的性能会有较大的影响。氮掺杂多孔炭材料可以较大程度地保留炭载体的性质，引入碱性中心，增强金属与载体之间的相互作用，提高金属活性组分的分散度，能够很好地将金属粒子稳定在载体表面。以Pt-C-N体系为例，理论计算结果表明：(1)Pt与跟石墨型N原子相连的C结合(Pt-C-NQ)；(2)Pt与3个吡啶型N原子结合(Pt-3N_Py)，这两种连接是最易实现的^{[54, 55]}。

Liu等^[56]利用氮修饰的SBA-15、碳源和H₂PtCl₆混合后热解制备得到Pt负载的氮掺杂中孔炭。该材料比表面积为450m²/g，且孔径集中在2.5nm左右，氮含量为1.8%，氮元素主要以石墨型氮和吡咯型氮形式存在，且Pt纳米粒子均一，尺寸大小为2~3 nm。研究表明，吡咯型氮的存在有利于Pt纳米颗粒的分散。在ORR中，该材料表现出优异的电催化活性和较高的耐甲醇特性。

Lei等^[57]以苯胺为含氮前体、SBA-15为模板制备氮掺杂有序中孔炭，采用浸渍法等量浸渍H₂PtCl₆，经高温热处理后，成功得到Pt负载氮掺杂有序中孔炭材料。结果证明，随着氮含量的增加(N/C升高)，Pt粒子的粒径减小。在甲醇氧化中，材料的催化活性与碳/电解质的电荷转移电阻、孔尺寸、Pt纳米粒子分散度和颗粒大小有密切关系。

Shrestha等^[58]以改性的SBA-15为模板，吡咯原位聚合后炭化制备氮掺杂的中孔炭负载Pt，将其应用于ORR中，随着氮元素的含量和载体的石墨化程度的增加，Pt的分散性不断增加。在1000℃下炭化下制得的负载Pt催化剂的活性最高，在1400℃处理的负载Pt催化剂的比活性最高。

Nongwe等^[59]采用化学气相沉积法(CVD)制备了氮掺杂多孔炭球负载Pt催化剂，其氮含量高达8.6%。结果显示，氮掺杂多孔炭可以有效提高Pt在载体中的分散性及减小Pt的粒径，该催化剂在肉桂醛加氢反应中表现出良好的活性、选择性及循环使用性能。

Zhang等^[60]以尿素为氮源合成氮掺杂多壁碳纳米管负载Pt催化剂，并研究了其在非碱性溶液中甘油选择性氧化反应的催化性能。结果表明，氮掺杂碳纳米管通过增强载体与金属之间的相互作用，有效提高了金属在其表面的分散度，使材料在甘油选择性氧化反应中的活性得到提高。

Zhang等^[61]以纳米氧化硅为模板、聚苯胺为氮源和碳源，在900℃下炭化制备出粒径140 nm、壁厚1 nm的氮掺杂多孔碳球，并负载Pt催化剂用于甲醇氧化反应。结果表明，其比商业Pt/C催化剂在甲醇反应中具有更好的催化活性、CO耐受性和稳定性，氮元素的引入有助于减小金属粒径、提高金属粒子在材料表面的分散度以及得到规整的孔结构。

Li等^[62]通过对制备的中孔炭进行NH₃处理，或者混入三聚氰胺并直接炭化制备氮掺杂炭材料，将其作为载体负载活性组分Pd后可用作苯酚加氢的催化剂。载体中氮元素的存在有效降低了Pd粒子的粒径，提高了环己酮的选择性。中孔结构、掺杂载体和超小的Pd粒子之间的协同作用是该催化剂在稳定性、选择性上表现优异的主要原因。

Wei等^[63]采用炭化聚离子液体的方式制备氮掺杂多孔炭材料并负载Pd催化剂用于各种不饱和羰基的选择性还原反应。该材料具有良好的活性及选择性( > 99%)，循环套用8次，活性及选择性没有明显下降。多孔结构有助于反应物的传输，氮原子的引入不仅提高了Pd的分散度，还增强了金属的电子传输能力，提高了材料的催化性能。

Dai等^[64]采用聚吡咯对多壁碳纳米管进行改性并负载Au催化剂，研究了氮掺杂纳米碳管负载Au催化剂在乙炔氢氯化反应中的性能。发现氮掺杂炭材料表面氮物种的存在能够与Au³⁺相互作用，有助于提高Au颗粒的分散度以及活性相组分的稳定性；并且氮物种与Au³⁺之间的电子传输作用提高了吸附氯化氢的能力，有助于提高催化剂的活性和稳定性。另外，他们还研究了以乙二胺为氮源、回流法制备氮改性中孔炭负载Au催化剂在乙炔氢氯化反应中的催化性能^[65]。氮掺杂介孔炭作载体能够使活性组分Au在载体表面单层分散，并且将Au的粒径有效地控制在4.9nm左右，远远小于活性炭作载体时金的粒径(16.4nm)，从而使得催化剂在乙炔氢氯化反应中的活性得到提升，与未改性的活性炭负载催化剂相比，初活性提高了53.7%。

Zhao等^[66]对活性炭进行氮改性，从而得到氮含量在3%左右的氮掺杂活性炭负载Au催化剂，并研究了其在乙炔氢氯化反应的性能。乙炔空速为100h^-1，反应300h以后，掺氮活性炭负载Au催化剂的乙炔转化率仍然可以达到99.9%。以尿素为氮源引入的氮原子更能有效地锚定活性组分Au³⁺并抑制Au³⁺还原为Au⁰，同时，Au-N之间的电子传输和相互作用还能提高催化剂吸附氯化氢的能力，使活性组分更加稳定。

Zhang等^{[67, 68]}分别用两种不同的方式对活性炭进行氮改性，负载Ru催化剂应用于乙炔氢氯化反应。首先，分别采用硝酸、氨水和吡啶对活性炭进行处理，得到Ru/AC-NO₂、Ru/AC-NH₂和Ru/AC-NHN。结果表明，对活性炭表面进行氮改性能够有效引入氮元素，提高Ru的分散度，影响催化剂中单质Ru、RuCl₃、RuO₂和RuO_x的含量，抑制反应过程中的积碳，增强对反应物的吸附和产物的脱附，从而使材料在乙炔氢氯化反应中表现良好，其中，吡啶型氮对催化剂活性的提升起到重要的作用。

Li等^[69]研究了负载Pd的氮掺杂活性炭材料，该材料中氮含量为7.25%~18.56%，Pd负载量为1%~3%。结果表明，Pd纳米粒子的尺寸并不会随着氮含量的改变而改变，一直稳定在2.1~2.2 nm。该材料用于硝基苯加氢反应中，氮含量为7.25%的氮掺杂活性炭具有最高的活性。在该反应中，氮元素主要有两个作用：(1)羟胺的吸附；(2)提供电子，增强Pd的电子密度，加速加氢的进程。

Su等^[70]采用一步法合成了镶嵌式Fe₂O₃/Fe@CN催化剂。该材料丰富的孔结构、特殊的镶嵌式结构及氮元素的引入有利于纳米粒子的分散，增强活性组分与载体的相互作用，促进Fe₂O₃与Fe之间的协同作用，在电催化剂析氢领域表现出优异的性能，为进一步研发水分解装置提供了新的可能。

目前，商业化催化剂大多是金属负载型或金属复合物催化剂，但该类型的催化剂高价格、由于烧结和中毒而失活、金属流失对环境造成危害等缺点，使得该类催化剂的应用前景受到影响。氮掺杂多孔炭材料作为新兴材料，具有价格低廉、环境友好、高耐性等优点，使其成为替代金属催化剂的有力竞争者。氮掺杂多孔炭材料在很多反应中均具有催化活性，其在氧化、电催化及乙炔氢氯化反应中的应用得到广泛关注。

氮掺杂炭材料能够生成各种氧物种，其在氧化反应中表现出良好的催化活性。Stöhr等^[71]利用XPS技术成功证明经900℃氨气处理后的活性炭能够在低温下直接生成O₂^-，他们认为该材料表面存在的含氮活性位是产生氧物种的主要物质。此后，该结果被一系列的实验所验证。Gao等^[72]研究了氮掺杂炭材料在乙苯选择性氧化反应中的应用，结果表明，氮掺杂炭材料(氮含量为1.1%~8.9%)在反应中的活性及选择性均明显高于不含氮的炭材料，乙苯转化率由56%上升至98.6%，乙酰苯的选择性由27%上升至91.3%，且随着氮含量的升高，活性及选择性均有所上升，在氮含量为8.9%时达到最大值。此外，氮掺杂炭材料中的石墨型氮含量与乙苯的转化率及乙酰苯的选择性存在明显关系。Restivo等^[73]将氮含量为2.6%~3.8%的氮掺杂气凝胶用于草酸氧化反应中，该材料表现出良好的催化活性。随着氮含量的升高，催化活性也在随之升高，在氮含量3.8%时达到最大值。结果表明，随着吡啶型氮含量的增加，反应活性同步增加。在140℃、40bar反应条件下，反应在45min完成，其反应速率远远高于未掺氮材料。Ba等^[74]以C₂H₆为碳源、NH₃为氮源，采用CVD法制备得到氮掺杂碳纳米管(N-CNT)，并研究了其在H₂S选择性氧化成S反应中的应用。N-CNT在高空速下表现出了远远高于Fe₂O₃/SiC催化剂的催化活性和稳定性，其高活性来源于活性中心的高暴露率，而良好的稳定性则来源于氮元素的掺杂能够有效地抑制反应过程中的积碳。

氮掺杂多孔炭材料在电催化领域也展现了优异的性能。Guo等^[25]利用SBA-15为模板，以生物质原料蜂蜜作为炭、氮前体，采用两步浸渍的方法制备了氮含量在1%左右的氮掺杂中孔炭材料，用作ORR的非金属催化剂。相对于商用的Pt/C催化剂，该催化剂表现出更好的电催化活性、长期操作的稳定性及较高的甲醇耐受性。Long等^[75]以SBA-15为模板、蜂蜜等生物质原料作氮源，制备氮掺杂中孔炭材料，该材料在ORR中展现了优于传统Pt/C催化剂的催化性能。研究证明，制备过程中裂解温度、时间及升温速率对催化剂性能有着很大的影响，氮原子的引入是材料展现良好催化活性的主要原因。该实验证明了C-N基团是催化ORR反应的活性中心，但仍未给出具体的某种氮形式。Han等^[76]采用纳米氧化硅球作模板，离子液体作碳、氮源，成功制备出氮含量高达10.9%、高石墨化且具有半球形的氮掺杂多孔炭材料，该材料较高的氮含量、高石墨化程度、薄壁等特性使其在ORR中展现了高活性及优秀的甲醇耐受性。Li等^[77]采用酚醛树脂为碳源、双氰胺为氮源，原位合成了氮掺杂的中孔炭球，短程孔道和氮元素的引入有利于质量传输及在表面提供大量的活性位，使其在ORR中具有高活性、高稳定性和良好的耐甲醇氧化性能。

研究表明，热解温度能够影响材料的石墨化程度及石墨型氮含量，从而影响反应性能。Liu等^[78]通过直接炭化纤维素纳米微晶和尿素成功制备出氮掺杂的多孔炭材料。该材料比表面积高达1362 m²/g，孔容达到3.36cm³/g。在ORR中，该材料展现出比商用Pt/C催化剂更高的活性、稳定性及甲醇的耐受性，其优异的催化性能主要来源于其良好的结构性能及较高的石墨型及吡啶型氮的含量(占N总含量的80%)。文中指出，以NH₃代替尿素作氮源制备的氮掺杂多孔炭的结构及性能较差，在此氮掺杂多孔炭的制备中，尿素是不可替代的。Yuan等^[79]直接炭化蔗糖后经氨气气氛下高温处理得到氮掺杂的多孔炭材料。该材料具有高比表面积和高比例的吡啶型氮，在酸碱性溶液条件下的ORR中展现出高活性和高甲醇耐受性。该制备方法简单易行，适用于大量生产，加速了氮掺杂多孔炭材料类非金属催化剂的产业化。

氮掺杂多孔炭材料在乙炔氢氯化反应中的应用也得到越来越多的关注。Li等^[80]对有序中孔炭(OMC)在高温下进行氨气处理，得到高表面积及孔容的氮掺杂中孔炭材料。该研究证明，氮掺杂中孔炭材料在乙炔氢氯化反应中表现出优异的催化性能，材料的比表面积及氮含量是影响反应性能的关键因素。700℃处理得到的表面积为1129 m²/g、氮含量为4.4%的氮掺杂中孔炭性能最优，在200℃、空速1.0mL/(min·g)反应条件下，表现出高达77%的乙炔转化率，并展现了良好的稳定性。Zhou等^[81]通过CVD法，分别以C₂H₄、NH₃为碳氮前体，成功制备出氮含量为4.4%的NCNTs。该材料在乙炔氢氯化反应中表现优异(TOF=2.3×10^-3s^-1)。他们认为石墨型氮才是乙炔氢氯化反应的活性中心，而非吡咯氮和吡啶氮。文中指出，由于氮原子的引入，NCNTs能够有效增强乙炔的吸附能力，从而提升乙炔氢氯化反应的活性。

为了解决氮改性炭材料在乙炔氢氯化反应中存在的成型困难及机械强度低等问题，Li等^[82]以SiC为基体，成功制备出SiC@N-C复合材料。该材料在乙炔氢氯化反应中有着优秀的表现，在200℃、30h^-1条件下，150h内均能保持80%以上的乙炔转化率。他们认为吡咯型氮是乙炔氢氯化反应的活性中心，并且乙炔很难吸附在吡啶型氮和石墨型氮上。另外，Zhang等^[83]认为，乙炔氢氯化反应的活性与氮的类型有着非常大的关系，活性顺序为：吡咯氮 > 石墨型氮 > 吡啶氮。通过程序升温脱附(TPD)实验证明，乙炔氢氯化中乙炔和HCl的吸附与吡咯氮的含量成正比。

研究表明，有多种氮形式在制备过程中自发地进入炭材料，很难得到只有一种氮形式存在的氮掺杂炭材料。虽然实验和理论计算均证明氮原子的引入是催化反应的活性中心，但目前依旧无法证明某种特定的氮形式与反应间的准确关系，其反应机理也存在争议。

氮掺杂多孔炭材料作负载金属催化剂载体及自身作非金属催化剂时，其优势主要体现在：(1) 能够加强载体与活性组分间的相互作用，控制活性组分的粒子大小和均一性，提高催化剂的稳定性；(2) 表面存在孤对电子，能够加速催化系统中的电子传输及活性组分的活化；(3) 可以通过调变载体表面上的官能团以适用于不同催化反应的要求；(4) 氮原子的引入可生成新的活性位。

氮掺杂多孔炭材料能够具有催化活性，主要归因于：(1) 碳原子之间的sp²杂化，使材料可能出现两种活性位，即，处于网络中的弱位及处于边缘的强位；(2) 炭材料中缺陷位的存在，使得网络中五元环、七元环及其他不规则连接方式的存在；(3) 氮原子具有特殊的电子轨道，氮原子的引入可生成新的活性位；(4) 氮掺杂炭材料表面上具有不同类型的含氮官能团。

氮掺杂多孔炭材料作为催化剂载体及非金属催化剂已崭露头角，新型的氮掺杂多孔炭材料在催化领域中的应用必然成为未来研究的热点。目前该领域的研究还存在以下一些问题：(1) 合成机理未明，制备方法还需拓展；(2) 催化作用机理亟待阐明；(3) 离产业化还有一定距离。

新型炭材料在多相催化领域的研究方兴未艾，而氮掺杂的炭材料不仅可以修饰及调变石墨中碳原子的电子结构，还能大幅提高纳米炭材料的表面活性，促进其在化学领域的应用，是作为非金属催化实现产业化最有前景的一类炭材料。但是关于氮掺杂炭材料的研究大部分都停留在实验室层面上，离工业化还有很大距离。因此未来的研究应该更多围绕发展简单高效的方法生产低成本的氮掺杂炭材料，要集中在合成方法创新、掺杂作用机制、结构-性能关联等几个关键点上，这些研究一旦获得突破，就有可能实现产业化应用。