“富煤、贫油、少气”的能源结构使得煤化工成为了我国化工行业的重要支柱产业之一。而碳化钙(CaC2)工业作为煤化工的重要分支,却因其制备过程的高能耗性、下游产品的单一性以及相关工艺的高污染性陷于了发展停滞状态,严重影响了我国煤化工的长远、良性发展。因此,CaC2化学的研究,尤其是CaC2反应活化及新应用的探究与开发,对我国的煤化工,乃至整个国民经济的发展均具有十分重大的战略意义。近年来,CaC2的反应活化多是通过微量水的加入或直接给予高温来实现的。微量水引发法的作用机制是控制CaC2与水的反应,其本质仍是乙炔路线,且其尚在研究过程中,工业应用性有待考究;高温作用虽可实现些许CaC2本体的反应,但其对设备、安全及能耗的要求较高,不符合节能减排的贯彻执行与绿色化工的发展趋势。这使得CaC2的反应活化成为亟待突破的研究课题。本论文从限制CaC2反应活性的因素分析出发,成功开发出了 CaC2碱催化丙酮脱水缩合制备异佛尔酮(IP)、CaC2机械化学反应制备炔碳材料、CaC2离子交换反应制备炔基金属或金属单质等数条CaC2反应路线,并就其影响因素、反应机理及相关应用进行了深入考察与分析。首先,本文通过比较CaC2和NaC2H分别与多卤代烃反应的活性及其生成碳材料的组成结构,对限制CaC2反应活性的因素进行了分析。研究发现,NaC2H的反应活性远高于CaC2,但由其所得的碳材料却为无定形态;相反,虽然CaC2的反应活性很低,但其所得碳材料具有独特的结构,彰显了其在制备碳材料方面的优势,具备较大的研究价值。更重要的是,二者反应活性的差异,主要归因于其聚集态的不同。CaC2的惰性主要源于其晶格结构对其中活性炔基的限制,从而使CaC2的相关反应较难进行。因此,CaC2反应活化的根本出路在于设法破坏其晶格结构,但常规溶剂和加热不足以破坏其晶格结构,故需要探索新的反应活化方法。其次,本文首次将CaC2的强碱性与强脱水性用于丙酮液相脱水缩合制备IP过程中,并取得了良好的效果。该过程可以看作是丙酮缩合与CaC2水解反应的耦合。CaC2中炔基的强碱性催化了丙酮的缩合反应。同时,CaC2晶格不断被生成水所破坏有利于其碱性性质的发挥。另外,CaC2的强化学脱水性也有力地促进了丙酮的脱水缩合反应。研究发现,较高反应温度、较大CaC2加入量以及较小CaC2颗粒均有利于IP的合成反应。而对该过程的综合评价认为,其在降低催化反应条件的同时使催化效率得到显著提高,有效地规避了传统气相法催化剂制备过程复杂、造价昂贵及易积炭失活等弊端,亦可实现对CaC2水解反应的无损融合,充分展现了过程的廉价性、高效性、低能耗性以及原子经济性,同时也开辟了一种CaC2在催化反应中的新应用。再者,本文首次利用机械球磨方法活化CaC2,并通过其与不同多卤代烃的机械化学反应制备了相应的炔碳材料(ACM)。研究认为,该过程在历经反应引发、快速界面反应与深度反应三个阶段后几乎可达完全反应程度,并取得相当可观的碳收率,同时生成无害化的卤化钙。对原料配比、球磨转速及球磨时间等因素的考察结果显示,该过程在较温和的反应条件下,亦能进行的快速而彻底。而所得ACM为具有一定层状结构与石墨化程度的微介孔炔基碳材料,可被定义为一种新的碳同素异形体,且其可通过多卤代烃前驱体的选型实现组成和结构的调变。此外,研究认为,CaC2晶格在机械球磨作用下被逐渐破坏,活性炔基得以充分暴露,从而达到了活化CaC2的目的,使之极易与多卤代烃发生亲核取代反应。对于主要以sp3-C构成的多卤代烃前驱体,在反应过程中易发生分子内的二次重排生成sp2-C,使所得ACM具有部分类石墨烯结构;而对于主要以sp2-C构成的多卤代烃前驱体,由于炔基与sp2-C形成的共轭结构使生成ACM本身处于稳定状态,故最终可得到具有高度共轭结构的层状炔碳材料。随后,论文对上述制备的六种ACM的电容性质和Hg(Ⅱ)吸附脱除性能分别进行了考察。研究发现,当被用于超级电容器电极材料时,六种ACM均展现出典型的电容行为、出色的充放电可逆性、优良的循环稳定性、以及良好的扫描速率稳定性和电流密度稳定性。且其恒流充放电测得的比电容值介于48.4～133.4 F/g,处于碳基电极材料中的较高水平。同时,六种ACM在交流阻抗测试中均展现了优异的导电性能与快速充放电性能。因此,ACM以其优异的电化学性能,为超级电容器电极材料提供了新的备选。另一方面,ACM对于水中Hg(Ⅱ)具有很好的吸附脱除性能,这主要归因于其较大的比表面积和较高的炔基含量。其吸附动力学与吸附等温数据可分别以拟二级动力学模型与Langmuir等温吸附模型很好地拟合,说明该过程为基于炔基与Hg(Ⅱ)软碱-软酸络合的化学吸附。ACM对Hg(Ⅱ)的饱和吸附量可达191.9 mg/g,高于现有的一般碳基吸附剂,甚至媲美S改性碳材料。研究同时发现,ACM对Hg(Ⅱ)的吸附过程为快速的、熵驱动的吸热过程,且其循环使用性能良好。综上,ACM可用于废水脱汞的高效吸附剂。最后,本文研究了 CaC2中Ca2+的可交换性。在超声与高温加热两种条件下,均实现了 CaC2中Ca2+离子的交换反应。该反应的内在推动力为软碱性C22-与软酸性金属离子间的亲和性,而设法促使CaC2瞬间晶格缺陷的形成,则是CaC2中Ca2+得以交换的必要条件。同时,研究发现,越软的金属离子越易与Ca2+交换。不同金属离子对CaC2中Ca2+交换性能的规律为:ds区>d区>p区>s区≈0;高周期>低周期。