能源和环境是人类赖以生存和发展的基本条件,随着经济的快速发展,化石燃料的开采和利用急剧增加,同时带来了严峻的环境污染问题。人们的衣食住行均离不开能源和环境,现代化学、石油、能源和制药工业以及环境保护领域,催化过程占全部化学过程的80%以上。因此,催化科学技术对国家经济、能源和环境等领域起着关键作用。在催化工业过程中,催化剂的开发与设计是催化科学发展的主要因素。Ti、Fe、Mn、Co和Ni等为代表的第三周期过渡族金属氧化物储量丰富、价格低廉、特殊的电子结构（3d轨道易得失电子）赋予其优秀的氧化还原和易于调变的催化性质,使过渡金属族氧化物及其担载的活性金属催化剂在多相催化领域中举足轻重。其中,氧化锰（MnO_x）作为过渡金属氧化物的典型代表,被广泛的应用于环境治理和清洁能源等领域。虽然MnO_x在科学研究和工业生产中被广泛的关注,但是MnO_x在合成和工业应用过程中仍然存在着很多的缺点。针对MnO_x材料难以精确控制合成、作为NH₃选择性还原氮NO_x反应催化剂时存在不耐H₂O和SO₂的缺点和燃料电池成本较高的问题,本学位论文以MnO_x材料的设计为出发点,以解决其在研究中存在的问题为目的,开展了系列的研究工作。（1）针对MnO₂材料难以精确控制合成,而且合成过程加入的大量杂离子无法去除的缺点。本论文提出了一种利用极少量（大约1‰）Zn（acac）₂为晶相转变诱导剂合成具有精确晶相含量的MnO₂材料的方法。通过实验分析得出,这种方法是通过控制水热反应中晶相转变过程来合成具有精确晶相组成的MnO₂。研究表明,在溶液中原子级分散的Zn和Zn纳米簇的比例是控制MnO₂晶相转变的关键。电催化氧还原结果显示,所制备的MnO₂材料在生物燃料电池中拥有潜在的应用前景。（2）利用CO氧化反应为探针反应研究了（1）中得到的不同晶相含量的MnO₂作为载体担载Pt催化剂的催化性质。TEM和EDS结果表明,α-MnO₂和β-MnO₂混合MnO₂（αβ-MnO₂）作为载体负载Pt纳米粒子时,Pt纳米粒子可以选择性的负载在α-MnO₂纳米线上。DFT计算结果显示Pt O₂在α-MnO₂（211）和β-MnO₂（101）的吸附能分别为-4.4和-3.14 e V,因此Pt纳米粒子可以优先吸附在α-MnO₂纳米线表面。CO氧化活性评价结果显示,Pt/αβ-MnO_x的CO氧化低温活性明显优于Pt/α-MnO_x和Pt/β-MnO_x催化剂上的低温活性。为了减少体系的复杂性,单独研究了β-MnO₂为载体担载Pt时,Pt/β-MnO_x催化剂上CO催化氧化反应的竞争吸附和活性氧物种。CO-TPD和DRIFT结果显示,Pt/β-MnO_x表面的O₂相比CO竞争吸附能力更强,更易吸附和活化。通过对比不同的吸附物O₂或O₂+CO为预吸附气的O₂-TPD结果,提出了Pt与MnO_x界面处的晶格氧可以作为Pt/β-MnO_x催化低温CO氧化反应的活性氧物种,是其拥有良好低温CO氧化效果的原因。（3）针对MnO_x作为低温NH₃-SCR脱硝催化剂的研究中耐水性差的问题,利用聚四氟乙烯（PTFE）为疏水材料对MnO₂进行疏水改性制备了系列PTFE含量的Mn-PTFE催化剂。NH₃-SCR活性评价结果显示,模拟烟气中含有水汽时,Mn-PTFE催化剂上NO_x转化率相比于MnO_x下降趋势明显减少。通过XRD,FTIR方法证明了PTFE和MnO₂形成了复合催化剂。水的接触角测试表明,PTFE的引入,使Mn-PTFE材料形成了较为疏水表面,疏水表面能够减少烟气中H₂O在催化剂表面的吸附,因此减少了活性位点的消耗,所以作为NH₃-SCR反应催化剂时,Mn-PTFE相比MnO_x而言具有更好的耐水性能。（4）本部分亦针对MnO_x作为NH₃-SCR脱硝催化剂时,存在的耐水性差的问题,分别以离子交换和共沉淀方法制备了元素含量相同的Ce-MnO₂和Ce_0.38Mn_0.62O₂-CP两种NH₃-SCR催化剂。其中Ce-MnO₂催化剂是以水钾锰矿（K-MnO₂）为前驱体,Ce³⁺为交换离子在溶液中利用离子交换方法制备而成。吡啶红外结果显示,使用一次后K-MnO₂表面由于K离子中毒的原因,酸位消失,所以第二次测试时,其催化活性基本丧失。Ce-MnO₂作为NH₃-SCR反应的催化剂时相比Ce_0.38Mn_0.62O₂-CP,表现出了更好的低温NH₃-SCR活性和耐水性能。研究表明,大的比表面积、表面空位多、表面Mn含量高、还原温度低、NO吸附的种类多、高的酸量和Ce³⁺/Ce⁴⁺流动的活性位是Ce-MnO₂低温活性明显优于Ce_0.38Mn_0.62O₂-CP催化剂的原因。H₂O吸附研究结果表明,Ce-MnO₂催化剂上H₂O的吸附量明显小于Ce_0.38Mn_0.62O₂-CP催化剂上H₂O的吸附量。此外,DRIFT显示Ce-MnO₂表面NO比H₂O更强的竞争吸附能力,是Ce-MnO₂耐水能力明显优于Ce_0.38Mn_0.62O₂-CP催化剂的耐水能力的原因。（5）针对燃料电池中阴极ORR反应过程中Pt的用量高、利用率低的问题,结合MnO_x绿色无污染、价格低廉和催化活性高等优点,利用沉积-沉淀、H₂气氛还原方法制备了两种低Pt含量的Mn基双活性位ORR催化剂。其中Pt/MnO的ORR活性明显优于Pt/MnO_x催化剂的ORR活性。通过XPS,EXAFS和TEM表征指出Pt/MnO表面较低的Mn和Pt的价态、配位不饱和的亚纳米Pt粒子能够起到吸附和活化O₂的作用。加之,在H₂氛围下还原后Pt/MnO催化剂表面形成多孔结构,易于反应物的通过。因而Pt/MnO表面ORR活性明显优于Pt/MnO_x催化剂表面的ORR活性。Pt/MnO的质量活性(36 m A/mg_catalyst)可以与商业20%Pt/C(42 m A/mg_catalyst)相媲美,但是其Pt的含量仅为20%Pt/C中Pt含量的4.5%,Pt的利用率为20%Pt/C中Pt利用率的18.5倍。K-L曲线分析,Pt/MnO上ORR反应为4电子过程,产物为H₂O,没有副产物H₂O₂生成,避免了催化剂的腐蚀。因此,在0.7 V的电势下,在经过500个循环的测试,ORR电流仅下降0.87%,表现出了很好的稳定性在ORR领域拥有极好的应用潜力。