能源短缺和环境污染已经成为全球性的两大难题。天然气因热效率高、储量丰富、含氮硫量低等倍受关注,将天然气作为替代能源不但可缓解部分能源危机,而且可以大大降低燃烧石油等所造成的环境污染。同时汽车的尾气排放、矿井等产生的瓦斯、水处理厂等都会不可避免的排放甲烷,甲烷作为一种温室气体也可造成环境污染。催化燃烧是解决这一问题最有效的途径。天然气的主要成分是 CH4,热力学非常稳定,分子结构对称性非常好,这使CH4几乎不能提供活性基团,如何使这样稳定的分子得到有效活化进而实现合理转化一直为人们所关注。尖晶石型四氧化三钴在甲烷催化燃烧表现出来了非常优异的催化活性。本研究利用密度泛函理论加在位库仑能修正(DFT+U)研究尖晶石结构材料催化甲烷燃烧的机理研究。从之前研究结果表明：(1)在Co3O4的高活性中心是(110)-B面的Co3+和O2c；(2)在整个催化反应循环中甲烷脱氢和水的脱附是关键步骤。有研究表明当引入掺杂时可以明显改善四氧化三钴的催化氧化活性,并且显著地提高材料的稳定性。本文研究了一系列金属元素掺杂在四氧化三钴后,四氧化三钴(110)-B面的氧空穴形成能的变化和(110)-B面甲烷脱氢的变化。研究表明氧空穴形成能与掺杂元素的离子半径和金属-氧键能相关,同时这两个因素对甲烷的碳氢活化也有影响。另外研究发现碳氢活化与两个活性位点的Fukui函数有明显关联。