煤层气作为一种热值高、清洁高效的新能源,是常规天然气的重要补充。然而煤层气由于混入空气而存在的潜在危险限制了其回收利用。混空煤层气脱氧是其综合利用的前提。催化燃烧是煤层气脱氧的最有效方法之一,其关键是研究和开发在贫氧气氛下具有高活性和稳定性的催化剂。CeO2储氧能力和氧化还原性能较好,并能与贵金属相互作用促进反应活性,整体催化剂有利于降低压降,促进传质、传热过程。结合上述优势,本文制备了不同类型的Ce基氧化物涂层整体催化剂,研究甲烷贫氧催化燃烧的反应特点,对整体催化剂的活性、稳定性及反应机理进行了深入研究。主要研究结果如下:采用柠檬酸法制备Ce0.8M0.2复合氧化物涂层,通过Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zr、La等元素的掺杂实现对CeO2的改性。XRD和H2-TPR等表征显示金属离子价态和半径的不同能够使CeO2晶格形成缺陷和氧空位,改变催化剂的晶粒度、比表面积和氧化还原能力,从而影响催化剂的起燃和完全转化活性。少量La的掺入提高了复合氧化物的表面氧物种、氧空位浓度和高温还原能力,从而将CeO2上O2的完全转化温度降低80 ℃,达到620 ℃。CeO2中贵金属Pd和Pt的加入大幅降低了完全转化温度。采用浸渍法制备了 Pd/CexZry/堇青石整体催化剂,通过调变Ce/Zr的比例研究载体对Pd催化剂活性的影响。在贫氧气氛中催化剂不能维持Pd的高活性价态,造成氧交换能力下降导致反应过程发生振荡现象。负载于CexZry载体的Pd基催化剂能够使完全转化温度低于350 ℃。载体中CeO2的添加稳定了 Pd的粒子及高活性价态,缓解了反应过程中的振荡现象,提高了催化剂的稳定性。Pd/Ce1Zr2/堇青石整体催化剂经三次起燃循环后仍保持较高的活性,完全转化温度只升高了 5 ℃,且在1000小时寿命测试中维持氧气转化率在98%以上。采用固相研磨法制得Pd-CeO2复合氧化物,通过改变焙烧温度调变Pd与CeO2的相互作用,以稳定Pd的价态和粒子。经历多次起燃熄火实验后催化剂的燃烧活性显著提高,XPS和TEM表征结果显示反应气氛使催化剂表面发生结构重组和Pd的再分散。催化剂表面PdO有利于甲烷的活化和起燃,而与CeO2存在相互作用的离子态Pd2+有利于氧气的完全转化。对经500 ℃焙烧的Pd-CeO2(PdCe-500)进行反应动力学和反应机理研究,反应速率只与氧浓度成正比,反应符合Mars-Van Krevelen(氧化还原)机理,氧空位的再氧化是速率控制步骤。采用柠檬酸法和浸渍法制备Pt-CeO2氧化物涂层,研究Pt与CeO2的相互作用与氧转化活性之间的关系。结果表明,在甲烷贫氧催化燃烧中金属态Pt是活性位,升温过程中由于氧气的毒化阻碍了甲烷的吸附从而抑制了反应活性。柠檬酸法制备的Pt-CeO2催化剂由于Pt与CeO2的相互作用避免了 Pt的过度氧化,同时CeO2的锚定作用抑制了Pt的析出和烧结,使其在高温焙烧和反应过程中表现出优异的稳定性。对于浸渍催化剂Pt/CeO2,Pt分散在CeO2表面,当Pt负载于小颗粒CeO2时,Pt更容易被氧气氧化并毒化。而经氢气预还原增强了 Pt与CeO2的相互作用,从而有利于甲烷贫氧燃烧的活性。