天然气作为可替代能源被广泛应用于汽车动力燃料和发电厂等领域,其主要成分是甲烷,但应用中未完全转化的CH4的释放将加剧温室效应。甲烷催化燃烧是降低低浓度甲烷排放的有效途径。贵金属催化剂尤其是Pd/Al2O3催化剂在甲烷催化燃烧中具有优异的低温活性。然而,催化剂中钯纳米粒子具有较低的塔曼温度和较高的表面能,在反应过程特别是高温下易聚集、烧结和长大;且Pd物种易与水蒸气作用而中毒失活。因此,设计合成低温活性高、稳定性和抗水性能好的催化剂具有重要的意义。针对以上Pd/Al2O3催化剂存在的问题,本文采用溶胶凝胶法,以高分子嵌段聚合物为模板剂,异丙醇铝为铝源,醋酸为界面保护剂,利用溶剂挥发自组装方法,合成钴及其与不同电负性的金属元素共掺杂介孔氧化铝,研究以其为载体制备的催化剂在甲烷燃烧中的性能,探索钴与不同电负性金属的协同效应对催化剂结构和性能的影响;考察催化剂的织构性能、表面酸性、活性相的价态、氧化还原性能以及金属-载体相互作用等对其催化性能的影响;深入探究Co-Zr和Co-Mn的引入对Pd/Al2O3催化剂中Pd纳米粒子的电子结构、稳定性以及活性相与载体间氧交换能力等的影响,以获得高性能的催化氧化甲烷钯基催化剂。主要的研究内容和研究结果如下:1、采用溶胶凝胶法,利用钴价态的可变性和不同电负性金属电子结构的差异性,合成了钴及其与不同电负性的金属元素X（X:Y,Mg,Zn,Ni,Sn）共掺杂介孔氧化铝,研究以其为载体制备的催化剂（P/CX-A）在甲烷燃烧中的性能。探究了Co-X协同效应对催化剂活性相的电子结构、氧化还原性能、氧迁移能力和金属-载体相互作用程度等结构和性能的影响。取得主要的研究结果:发现Co-X共掺杂Al2O3合成的催化剂P/CX-A中Pd粒子的电子结构和存在状态具有明显差异,Pd O与载体间的相互作用程度不同,使催化剂表现出不同的甲烷氧化活性和稳定性。与P/C-A催化剂相比,P/CX-A催化剂中Pd O相的畸变程度较小,Pd颗粒分散度更高,且其暴露于台阶/边缘位点的活性原子数目更多,相应的催化活化能更小,在甲烷燃烧中具有更高的活性。其中,P/CMg-A催化剂中钯物种以Pd O形式存在的比例更高,且其氧迁移能力更强,表面酸性更低,在甲烷燃烧中表现出更优异的活性(T90为370℃),良好的循环使用重现性,热稳定性以及水热稳定性。2、采用溶胶凝胶法结合等体积浸渍法简便合成了Co-Zr共掺杂介孔氧化铝载钯催化剂,研究其结构性质以及在甲烷燃烧反应中的性能。研究发现,催化剂中Zr掺杂量不同其在甲烷燃烧反应中的活性不同。当Zr掺杂量为5wt.%时,催化剂的活性最高(T90为405℃),相比单一Co掺杂载体制备的催化剂T90降低了70℃。适宜量的Zr掺杂载体所制备的催化剂中氧空位数量较多,Pd O与载体相互作用增强,Pd O（?）Pd~0相转变过程更易进行。Co-Zr协同作用使得催化剂表面Pd粒子的有效电荷增多,Pd O更稳定,且台阶位Pd O粒子的比例更高,同时,Zr的添加有利于加速催化剂表面脱羟基过程,因此,P/CA-5Z在CH4氧化反应中表现出更高的催化活性和优异的稳定性、抗水性能。3、将Co-Mn二元氧化物作为助剂引入Pd/Al2O3体系中,构建了高效的甲烷燃烧催化剂。研究表明,适宜量的锰添加可使得Mn3+最大限度地进入Co3O4尖晶石结构,更多的Co3+转化为Co2+,产生晶格畸变,从而产生更多的氧空位。其中,当Mn/Co摩尔比为0.20时所制备的催化剂PCMA-0.20表面活性Pd2+和吸附氧的含量较多,Pd O与载体间的氧交换能力较强,具有更稳定的Pd O相,从而呈现出优异的低温活性(T90为360°C)和良好的稳定性;此外,PCMA-0.20的表面酸度较低,其与-OH物种的配位较弱,可有效抑制催化剂表面羟基的积累,同时,Mn-Co的协同作用能够加速移除活性中心表面积累的OH/H2O,从而促进Pd O和氧空位的再生。因此,其表现出优异抗水性能和独特的水促进作用,移除水汽后,活性进一步提高(T90=350℃)。