碳烟颗粒物是柴油车尾气排放中最严重的污染物之一，它能导致呼吸系统疾病，是一种致癌物质。过滤器与高活性催化剂的结合是减少柴油车排放碳烟颗粒物的最有效方法之一。研究开发高效的碳烟氧化催化剂是环境保护工作的迫切需要。同时，担载过渡金属氧化物作为一类工业上常用的重要催化剂体系，有望取代贵金属催化剂应用于汽车尾气后处理系统中。因此，研究探讨担载氧化物催化剂的制备、结构及物化性质与柴油车尾气碳烟催化燃烧反应催化性能之间的关系，认识该类氧化物催化剂上碳烟燃烧反应的催化作用规律，不仅对担载氧化物催化剂的设计具有深远的基础研究意义，而且具有重要的现实和环境保护意义。 本论文使用柠檬酸络合自燃烧与旋转蒸发组合方法制备了纳米CeO2载体，通过超声波辅助的等体积浸渍法制备了纳米CeO2担载的钒基和钴基氧化物以及铜基类钙钛矿复合氧化物催化剂，采用BET、XRD、Raman、IR、UV-Vis、XPS、SEM、TEM、TG-DTA、H2-TPR、O2-TPD和元素分析等手段对催化剂进行表征，并以模拟柴油碳烟为研究对象，利用程序升温氧化反应对催化剂的活性进行了评价。在优选催化剂的基础上，采用原位UV-Raman、原位IR和原位质谱等技术研究了钒基、钴基和铜基三类催化剂对碳烟催化燃烧的反应机理，深入认识了碳烟催化燃烧反应的本质。 比较了不同来源柴油碳烟的物化性质和燃烧特点，发现模型碳和实际炭颗粒在元素构成上基本一致，主要有C、H和O等，但元素组成和表面性质差别较大，模型碳主要成分是C，含量高达92％；实际炭颗粒中碳的含量较低，在65～74％之间，O、H、N和其它杂质的含量相对较高，约为模型碳的3～10倍。实际炭颗粒比模型碳更容易被燃烧去除，在有催化剂存在时，它们的燃烧温度范围比没有催化剂时都要低得多。 担载的钒氧化物催化碳烟燃烧反应中，聚合的钒氧物种是比隔离四配位钒氧物种和晶态V2O5更活泼的催化碳烟燃烧的活性位。TG-DTA和H2-TPR实验结果表明，担载钒氧化物催化剂的活性与它的熔点和氧化还原性能密切相关。催化剂的熔点越低，碳烟的燃烧温度越低；催化剂的氧化还原性能越高，碳烟的燃烧温度也越低。对于不同载体担载的钒氧化物催化剂，在相同钒载量下碳烟催化燃烧的催化活性由大到小的顺序为Vm/nmCeO2>Vm/CeO2>Vm/TiO2>Vm/ZrO2>Vm/Al2O3≌Vm/SiO2。在各种载体中，采用柠檬酸络合自燃烧法制备的nmCeO2是活性最好的催化剂载体。这不仅归因于CeO2载体强的氧化还原能力，还因为nmCeO2载体的纳米效应改善了催化剂与碳烟之间的接触，使碳烟的催化燃烧温度降低。碳烟的催化燃烧是一个复杂的固(碳烟)-固(催化剂)-气(O2等气体分子氧化剂)三相深度氧化反应，催化剂的强氧化还原性能是高活性的根本和内因，而催化剂与碳烟颗粒之间良好的接触是高活性必不可少的外因。Co3O4在过渡简单金属氧化物中具有最强的氧化能力，将钴氧化物担载于mCeO2载体上，会产生更多的活性氧物种，有益于进一步提高催化剂的氧化还原能力；另一方面，纳米CeO2载体能够提供更多的与碳烟颗粒的接触点，保证催化剂与碳烟之间充分接触与反应。所以，Com/nmCeO2担载氧化物在碳烟与催化剂松散接触时具有很高的催化活性，活性最好的CO20/nmCeO2催化剂对碳烟催化燃烧温度T50为368℃，这与目前世界上报道的松散接触条件下活性最好的担载贵金属Pt催化剂的活性结果相当。 采用柠檬酸络合燃烧法合成了Ln2CuO4(Ln=La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd)和La2-xRbxCuO4系列复合氧化物催化剂，并利用多种表征手段对其结构和物化性质进行了表征。结果表明： 系统性研究了碳烟催化燃烧温度的影响因素，发现反应气体中的O2含量和催化剂与碳除Ce外，合成的复合氧化物均形成类钙钛矿结构，但A位掺杂Rb数量较大时，个别样品有杂相生成；合成的催化剂颗粒尺寸为纳米级别；在类钙钛矿型复合氧化物A位掺杂Rb+离子后，在晶体结构中有高价离子Cu3+和氧空位形成，且随着Rb+离子掺杂量增加，Cu3+离子和氧空位数量增多，这些高价铜离子和氧空位的存在对改善催化剂的性能起着非常重要的作用。进一步采用纳米CeO2担载铜基类钙钛矿复合氧化物，不仅具有较好的催化碳烟燃烧效果，而且可以在同一催化剂上实现同时消除柴油车排放的碳烟和氮氧化物(NOx)两种污染物。活性最好的催化剂20％La1.7Rb0.3CuO4/nmCeO2对碳烟催化燃烧的峰值温度Tm为401℃，比La1.7Rb0.3CuO4催化剂对柴油催化燃烧的峰值温度降低了70℃以上；催化还原NOx的活性也增加，生成N2的产率达到28.2％。烟颗粒的接触方式对碳烟催化燃烧反应的影响最大，催化剂在松散接触条件下的活性总是比紧密接触条件下的活性差，利用纳米粒子移动性好的优点或产生具有强氧化能力的NO2气体分子可以减小松散接触条件对碳烟催化燃烧温度的影响。催化剂的稳定性考察结果表明：担载钒基氧化物催化剂比纳米CeO2担载的钴氧化物催化剂的热稳定性和抗硫中毒性能好。 对催化反应机理的深入认识可以为设计和研制高效催化剂提供理论指导。本位紫外拉曼技术研究了碳烟在担载钒氧化物上催化燃烧的反应机理。发现反应过程中形成了表面含氧络合物(SOC)，而且SOC主要以羧基功能团的形态存在。反应气体中的NO能够促进SOC的产生。利用原位质谱和NO原位红外吸附等技术研究了碳烟在Com/nmCeO2担载氧化物上催化燃烧的反应机理，发现存在三种可能的反应路径，包括： (1)钴氧化物活性组分吸附并活化分子氧催化碳烟氧化；(2)纳米CeO2载体活化分子氧或释放晶格氧原子催化碳烟氧化；(3)NO在氧气氛中以硝酸盐或亚硝酸盐的形态吸附在催化剂表面，然后释放出NO2将碳烟氧化。对于同时消除碳烟和NOx，本论文采用惰性SiO2稀释的方法，克服了类钙钛矿复合氧化物的颜色为深黑色，难以进行原位红外表征的困难，利用原位红外漫反射、原位质谱等手段研究了类钙钛矿复合氧化物催化剂同时消除碳烟与NOx的反应机理。发现对于碳烟消除，NO2在反应气流中的产生加速了碳烟的燃烧速率；NOx在催化剂上形成硝酸盐物种后，被碳烟还原而产生N2，NO2不能直接与碳烟反应生成N2。这一反应机理阐明了(类)钙钛矿复合氧化物催化剂上碳烟还原NOx的本质，解释了产生N2的原因。这些原位、动态条件下反应过程的认识阐明了碳烟催化燃烧的反应机理和本质，为进一步设计高效柴油车尾气处理催化剂提供了重要科学依据，同时有利于发展新的原位测试技术在催化反应及机理研究中的应用，具有重要的基础理论意义。