以廉价金属替代贵金属、以非金属替代金属是催化材料领域的研究热点。向周期性石墨结构中引入氧、氮、硼、磷等杂原子后，纳米碳管、石墨烯等纳米材料可具有较好的催化性能，在几类重要反应中以体现出替代金属催化剂的巨大潜力。然而，纳米碳催化方向起步较晚，在反应机理、活性位结构、杂原子作用原理上缺乏深入研究，过高的生产成本、松散的分体结构也限制了纳米碳催化的工业化进程。针对纳米碳催化机理研究缺乏、应用基础薄弱的关键问题，张建研究员团队在其领导下，长期致力于纳米碳材料表面活性、结构控制与综合性能提升机制研究，主要包括以下两个方面：
- 在碳催化基础研究上，根据“反应机理探索规律、原位分析验证结论、理性合成新颖结构”的学术思路，深入理解了烷烃脱氢反应途径、活性位结构特征、杂原子作用原理的关键科学问题，为高活性碳催化材料结构设计与表面修饰提供了基本思路；
- 在碳催化应用研究上，侧重于解决纳米碳材料活性物种不可控、难以成型、生产成本高等关键技术问题，尤其是2009年张建研究员回国后，相继开发了千吨级多壁碳管生产、吨级表面酸/碱性修饰、纳米碳型材批量制备等技术，为碳催化规模化提供了基本条件，相关应用进展被央视《新闻联播》报道。
张建研究员带领团队，经过连贯、系统的研究，在作用原理、合成方法以及工业化探索方面取得了突出成绩，阶段性地解决了纳米碳催化方向发展的理论和技术难题。具体包括：
- 揭示了纳米碳上烷烃活化机制与构效关系：明确了双活性位反应途径、C-H 断裂为速度控制步骤、酮羰基为烷烃转化活性位的基本结论，在分子层次上 实现了非金属活性位的定向设计，为开发高活性碳催化剂提供了理论支撑。
- 阐明了纳米碳催化性能的氮掺杂促进机理：基于氮原子体相掺杂的基 本理论，明确了石墨类氮物种促进氧分子活化、降低反应能垒的关键性作用， 为氮掺杂纳米碳材料在催化、电催化、环境保护领域应用提供了新机理。
- 解决了碳管低成本生产、改性与成型问题：开发并转让了天然含铁土 壤催化碳管生长（产能 1200 吨/年）、液相臭氧氧化和水热法胺化（通过百吨级 试生产）等技术，创新地制备了具有宏观结构的碳管小球，基本解决了纳米碳 催化规模化应用所涉及的成本高、性能不佳、成型难的关键技术问题。
- 拓展了纳米碳替代金属催化理念的实施范围：首次将纳米碳催化理念 拓展到乙苯直接脱氢、甲烷高温裂解反应，避免了原有氧化脱氢工艺中氧气与 烃类混合气的操作风险，为纳米碳催化的工业化应用提供了新路线。
5-羟甲基糠醛（HMF）及其衍生物合成的基础研究
5-羟甲基糠醛（HMF）是一种重要的生物质基平台化合物，经加氢、氧化、醚化等反应可制备出一系列具有高附加值的产品。研发团队主要针对HMF及其衍生物的合成反应，在催化剂和反应工艺方面进行基础开发研究。
5-羟甲基糠醛（HMF）及其衍生物的规模化生产
虽然关于HMF的第一篇研究报道出自1875年，但是一百多年来，HMF的低成本规模化生产一直是国际化工领域悬而未决的难题。目前国际上多家公司的生产规模均未突破百吨/年，原因主要受限于反应、分离、精制等多环节技术问题的迭加。在浙江糖能科技有限公司的资助下，团队以产能过剩的果糖为原料，成功开发出具有自主知识产权的高效多相催化制取HMF的工艺，并率先在千吨级规模上实现了催化剂、溶剂的循环套用，最近还完成了果糖脱水反应段的万吨级示范，HMF单程摩尔产率为82~87%。
