当今社会,气候变化成为人类面临的全球性问题,减少温室气体排放成为全球各国的共识。2021年全国两会期间,碳中和、碳达峰被首次写入政府工作报告,也成为全社会关注的焦点。在此背景之下,节能减排势在必行。值得一提的是,除了二氧化碳外,甲烷排放同样是造成全球气温升高的重要因素,因此也日益成为社会关注的焦点。天然气广泛应用于生产生活,其中的主要成分甲烷（CH4）化学性质稳定,可长时间存在于大气环境中。就单分子而言,甲烷的全球变暖潜能值（GWP）比二氧化碳高几十倍。因此,有必要对CH4的排放进行控制,减少其对气候的破坏。催化氧化技术是控制低浓度CH4最有效的技术之一,其中研发高效、经济的催化剂是该技术的核心。在众多过渡金属氧化物中,Co3O4具有良好的甲烷催化活性,因此探究尖晶石型Co3O4催化剂的活性源,以此为导向制备高活性的催化剂,对于基础研究和实际应用具有重要意义。有报道称,八面体配位的Co3+是尖晶石Co3O4中的活性位点,与之配位的晶格氧原子对于甲烷氧化同样起重要作用,但仍然缺乏足够的证据来证明Co物种和与之配位的晶格氧之间的相互关系。在本研究中,精确合成了三种不同暴露晶面的尖晶石Co3O4催化剂样品,分别为暴露（220）晶面的Co3O4-NW、暴露（311）晶面的Co3O4-NS和暴露（111）晶面的Co3O4-NP,以研究甲烷分子与催化剂反应过程中微观结构的变化。结果表明,甲烷氧化活性遵循Co3O4-NW>Co3O4-NS>Co3O4-NP的规律。采用原位拉曼光谱、原位XRD、和原位XPS等方法对甲烷氧化过程中Co物种的演化过程和配位环境的变化进行了表征分析。结果表明,催化剂的高效催化活性与饱和配位的Co3+Oh和不饱和配位的CoOh2+的相互转化有关。因此,可以解释（220）晶体表面高活性主要是因为表面存在高密度的Co3+和表面晶格氧。在饱和配位的Co3+Oh和不饱和配位的Co2+Oh的转化过程中,吸附氧自由基被诱导为活性氧自由基进一步参与反应,因此Co3O4-NW表现出出色的甲烷催化活性。为进一步提高钴基尖晶石催化剂的甲烷氧化活性,采用甲酸络合法合成了一系列不同掺杂比的Mn掺杂Co3O4催化剂来探究Mn掺杂对活性的促进作用,发现Co5Mn1催化剂表现出最佳的甲烷催化活性,采用SEM、XRD、Raman、XPS等表征,确定了掺杂的Mn离子主要进入八面体位点取代Co3+,Mn离子的掺杂造成了晶格紊乱程度加剧。根据XPS实验探究了表面Mn、Co、O的存在状态,提出了Mn取代Co3O4催化剂表现出高甲烷催化活性的原因为掺杂Mn离子导致晶格紊乱,进一步造成表面缺陷位增多,其次由于Mn具有明显的J-T效应,造成与之配位的氧离子,特别是表面晶格氧离子键能变小,因此晶格氧离子容易参与于甲烷的反应。