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燃煤电厂汞及其化合物是继NOx、SO2、飞灰后的又一主要大气污染物,它是我国人为汞排放的最大来源。随着水俣公约的实行,我国必将实行更为严苛的汞排放标准。现有的燃煤电厂污染物控制系统可以有效地去除除了零价汞以外其他形态的汞物种,而零价汞（Hg~0）因为其高挥发性与不溶于水的特性在燃煤电厂的烟气中难以捕集。催化氧化技术是将不溶于水的Hg~0氧化为易溶于水的二价汞,然后通过现有的湿法脱硫系统一起脱除,是一种较为经济的技术。催化剂的催化氧化Hg~0的能力是该技术中的关键,CeO2催化剂因其具有较好的储释氧能力受到广泛关注。然而,现有CeO2基催化剂存在对于烟气中HCl的依赖性较高,以及对SO2和H2O等气体抗性不高等问题。因此,本文针对Hg~0在不同烟气条件下的反应机理和高效催化剂的研究,分别以不同形貌的CeO2及其负载型RuO2/CeO2催化剂和掺杂型Co/Ce催化剂为研究体系,首先探究了在不同形貌CeO2对于脱汞效率的影响,随后系统地研究了不同晶面上Hg~0氧化的反应路径,并得到CeO2表面氧空位对于Hg~0氧化的作用机制。然后,基于Hg~0氧化反应机理的认识,对于CeO2催化剂进行改性,研究负载型RuO2/CeO2催化剂和掺杂型Co/Ce催化剂对于Hg~0的吸附与氧化机制的影响。基于以上研究,本文得到的主要结果如下:（1）开发了燃煤电厂低温烟气脱汞CeO2纳米棒催化剂,其暴露（110）面且拥有较高氧空位浓度。表征结果说明CeO2纳米棒（CeO2-R）主要暴露（110）面而CeO2纳米颗粒（CeO2-P）主要暴露（111）面,结果发现具有更高氧空位浓度的CeO2-R在100-300℃内表现出更高的脱汞活性,在200℃达到了最高83%的脱汞效率。DFT计算结果表明Hg~0在CeO2（110）表面的反应能垒要低于CeO2（111）表面的反应能垒,而氧空位的存在有利于O2吸附,从而产生新的活性位点用于HCl的活化,但过高浓度的氧空位也会导致HCl中的Cl原子嵌入氧空位中,其在表面的稳定性过高导致氧化Hg~0的能力相比表面吸附的Cl原子较差。CeO2表面Hg/HCl/O2催化循环可以被分为为四个部分:（i）HCl被晶格氧激活;（ii）Hg~0在缺陷表面氧化;（iii）HCl被吸附的氧激活;（iv）Hg~0在化学计量表面氧化。（2）获得了CeO2催化剂上Hg/O2/SO2完整反应机理,揭示了CeO2纳米棒上提升无HCl条件下脱汞效率的关键步骤为提升Hg~0的吸附能与降低HgO的脱附能。研究发现了在单独O2的条件下,CeO2氧化Hg~0的活性温度较高,需达到300℃以上,且反应速率速控步为HgO脱附。烟气中汞物种与表面相互作用的大小遵循Hg~0＜HgO＜HgSO4,其中Hg~0在反应温度下无法在表面吸附。结合机理分析与DFT理论计算结果,提出Hg/O2氧化反应中不同机理的反应路径,发现了Hg~0氧化的主要贡献来源于E-R机理,氧空位对于Hg/O2反应至关重要。烟气中的SO2无法直接氧化Hg~0,低浓度的SO2通过与HgO生成HgSO4会略微促进Hg~0的氧化,而高浓度SO2会占据活性点位并消耗掉表面活性氧从而抑制了Hg~0的氧化。（3）研究了负载型RuO2/CeO2催化剂用于低温高效脱汞,发现其负载后对于Hg~0的吸附能力更强且反应能垒更低。与RuO2负载于CeO2纳米颗粒相比RuO2负载于CeO2纳米棒拥有更多的氧空位,其在100-350℃内展现出了更高的催化活性,在200℃时脱汞效率达到了97.1%。同时相比与未负载的CeO2纳米棒,其抗硫能力明显增强。表征结果发现了Hg~0氧化过程中主要是催化剂表面Ce3+参与到Hg~0的氧化反应中,而表面硫酸盐物种(SO42-)是SO2影响脱汞活性的主要原因。此外,Hg~0在RuO2表面为化学吸附,且后续氧化遵循L-H机理,CeO2-R载体提供的活性氧能够加速Hg~0的氧化,表明了载体氧空位对于Hg~0在RuO2表面上氧化反应机理的贡献。（4）研究发现对于金属掺杂M/CeO2（110）表面,Co在六种掺杂金属M（Co、Cu、Mn、Ni、Ru、V）中显示出了最低的Hg~0吸附能与最低的Hg~0氧化反应能垒,有利于后续低温脱汞。为了提升低温下的脱汞效率,基于CeO2（110）表面Hg/O2关键步骤与反应机理,对六种过渡金属掺杂CeO2（110）表面后的Hg~0吸附特性进行了系统的研究,并搜索了Hg~0氧化的具体路径,明确了反应过渡态结构及其能垒的变化。理论计算表明,在六种掺杂催化剂表面中Co掺杂后对于Hg~0的亲和力最强,吸附能达到了-47.8 k J/mol,而在Co/CeO2（110）表面对于Hg~0氧化也拥有最高催化活性,反应能垒仅为64.1 k J/mol。（5）研究了Co掺杂CeO2纳米棒作为低温高效脱汞材料,发现了高浓度氧空位具有促进Hg~0氧化与抑制SO2吸附两方面的作用。Co的掺杂极大地提升了载体CeO2纳米棒的还原性与氧空位浓度,在所有催化剂中0.2Co/Ce纳米棒拥有最高脱汞活性,在无HCl条件下100至200℃的温度范围内脱汞效率均高于95%,计算结果表明表面氧空位的存在促进了Hg~0的氧化。在抗硫性能测试中0.2Co/Ce展现出极佳的抗硫能力,经DFT计算发现其抗硫性能来源于Co的掺杂后形成的Co与Ce之间的电子转移抑制了SO2在表面的吸附与氧化。然而,低温下H2O易在氧空位上吸附与解离,一方面吸附于活性位点的H2O/OH会抑制Hg~0的吸附,另一方面会使活性位点的氧化还原循环被打破,无法继续产生表面活性氧而抑制Hg~0的氧化。