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甲烷作为一种经济,清洁的新能源而广泛的应用于发电厂和天然气汽车,然而尾气中未完全燃烧的甲烷可以产生巨大的温室效应,催化燃烧技术是解决这一问题的有效方法。本文采用共沉淀法制备了Zn和Zr掺杂的Sn0.7M0.3O2(M=Zn,Zr)复合金属氧化物催化剂,用于甲烷催化燃烧反应。Zn和Zr的掺杂降低了催化剂的晶粒尺寸,提高了催化剂的比表面积。动力学结果显示,SnO2基催化剂遵循MVK反应机理,甲烷的解离为速率控制步骤;表观活化能(Ea)和指前因子(A)分别决定于催化剂表面Sn4+的氧化能力和数量。表面Sn4+为催化活性中心,表面晶格氧物种直接参与甲烷活化过程。EXAFS结果表明,Zr的掺杂削弱了Sn?O键,从而提高了表面Sn4+的氧化能力(H2-TPR结果),而Zn的掺杂使Sn?O键长变短,键能变强,降低了表面Sn4+的氧化能力(H2-TPR结果)。基于此,Zr的掺杂降低了催化剂的表观活化能,提高了催化剂的反应速率;而Zn的掺杂增大了催化剂的表观活化能,Sn0.7Zn0.3O2的反应速率小于纯SnO2催化剂。Zn和Zr的掺杂相同程度的降低了催化剂的指前因子。为了进一步提高表面Sn4+的氧化能力和SnO2基催化剂的活性,我们用共沉淀法制备了Sn1-xCexO2复合金属氧化物催化剂。我们发现形成Sn1-xCexO2固溶体后,其晶粒尺寸减小,比表面积显著增大。EXAFS、XPS和Raman结果表明,相对于具有单一物相的SnO2和CeO2催化剂,Sn1-xCexO2固溶体存在着更多的氧空位。富Sn催化剂(SnO2相)的氧空位分布在体相和表面,而富Ce催化剂(SnO2相)的氧空位则主要分布在催化剂的表面,因此富Sn催化剂的氧流动能力强于富Ce催化剂。H2-TPR结果表明,由于Sn1-xCexO2固溶体中Sn4+/Sn2+和Ce4+/Ce3+离子对间的电子转换,表面Sn4+的氧化能力被极大的提高了,其中Sn0.7Ce0.3O2催化剂的表面Sn4+表现出最强的氧化能力。CH4-TPSR结果表明,晶格氧在甲烷催化燃烧过程中起重要作用。由于Sn0.7Ce0.3O2催化剂具有最低的表观活化能和较大的指前因子,所以其具有最大的反应速率和TOF值,其TOF值是SnO2催化剂的5倍以上。富Sn催化剂的反应路径遵循MVK机理,而富Ce催化剂的反应路径除遵循MVK机理外,还可能存在其他的机理。此外,Sn1-xCexO2固溶体催化剂表现出较高的抗H2O中毒能力。此外,我们还采用共沉淀法制备了CuO/SnO2双元金属氧化物催化剂。XRD结果表明,当CuO的含量大于等于60%时,催化剂由CuO和SnO2相组成,并且未发生相互间的掺杂,从TEM结果中,我们观察到CuO相的(002)、(110)晶面和SnO2相的(110)晶面存在明显的晶界面。EXAFS结果表明,这种晶体界面的结构使晶界处的Cu–O和Sn–O键长分别变长和变短。XPS结果表明,相对于纯CuO和SnO2催化剂,CuO(60)催化剂中的Cu 2p和Sn 3d5/2结合能略有降低,而CuO(60)催化剂的O 1s结合能介于CuO和SnO2的O 1s结合能之间,这表明晶界处CuO和SnO2相间存在着电子转移,这极大的提高了晶界处金属离子的氧化能力(H2-TPR结果)。原位Raman和XANES实验结果明确指出,晶界处Cu2+离子的起始还原温度约为150?C,其氧化能力强于表面Sn4+离子,因此我们认定晶界处高氧化性的Cu2+为活性位。由于CuO/SnO2金属氧化物催化剂的Cu2+被活化了,其表观活化能相对于纯SnO2和CuO催化剂大幅减小了。CuO(60)催化剂由于具有最多的晶界Cu2+,所以其具有最高的反应速率,其反应速率约为纯SnO2的6倍,其TOF值约为纯SnO2的12倍。与2%Pd/CeO2贵金属催化剂相比,CuO(60)催化剂的表观催化活性更高,同时其具有更强的抗H2O和SO2中毒能力,因此有很好的工业应用前景。我们还考察了制备方法对CuO(60)催化剂活性的影响。XRD结果显示不同方法制备的CuO(60)催化剂均未形成固溶体。TEM结果表明机械混合法制备的CuO(60)-PM催化剂不存在晶界结构,而浸渍法CuO(60)-IM催化剂存在晶界结构。H2-TPR结果表明,低温还原峰的面积(晶界Cu2+的还原)按以下顺序递减:CuO(60)>CuO(60)-IM>CuO(60)-PM,催化剂的反应速率也按以上顺序递减。