甲烷—最简单的低碳烷烃分子,作为天然气、页岩气、沼气和坑气等的主要成分,是一种极其重要的不可再生清洁能源。除了燃烧供热或发电外,将其高效地催化转化为具有更高价值的化学品产物(如:氢气、甲醇、甲醛、乙醇、乙炔、氢氰酸和苯等),对于现代工业生产及人类社会的可持续发展都具有重要的意义。由于实际催化剂体系相关凝聚相表面反应的复杂性(如载体效应和溶剂效应等干扰),人们对催化剂表面反应机理的认识仍不是很清楚。气相质谱实验结合密度泛函理论计算来研究掺杂贵金属的异核氧化物团簇与甲烷等小分子的反应可以从分子水平上理解相关凝聚相表面反应的微观机理,这为合理设计高效、实用、经济的甲烷催化剂体系提供了重要指导意义。本论文主要研究内容如下:即不同尺寸的金硅异核氧化物团簇对CH4的催化活化。使用激光溅射团簇法产生不同尺寸的金硅异核氧化物团簇Au(SiO2)1-3O-,使用四极杆质量选择器将它们分别选出来后,进入线型离子阱反应器中与CH4或CD4进行反应,随后产物和未参与反应的团簇离子进入反射式飞行时间质谱仪中进行探测。质谱实验结果显示:具有较小尺寸的团簇Au(SiO2)1-2O-在与CH4反应的过程中可以产生分子吸附(Molecular Adsorption)产物离子Au(SiO2)1-2OCH4-和脱附AuCH3的解离产物离子(SiO2)1-2OH-;而较大尺寸团簇Au(SiO2)3O-与CH4反应时中只有掉AuCH3的解离产物(SiO2)3OH-出现;密度泛函理论计算了三种反应过程和机理,发现这两种不同的实验现象伴随着两种不同的反应机理,即随尺寸变化而导致的反应机理变化。进一步地研究发现贵金属Au原子在担载的氧化物团簇上的不同配位点性质对其反应活性有很大的影响。该工作详见本论文第二章。