大气中的氮氧化物（NO_x）污染物主要来源于人为排放。作为清洁能源的甲烷也会因在1200 ^oC以上燃烧而使空气中的O₂和N₂发生反应,生成严重污染环境的NO_x。与此同时,甲烷的不完全燃烧会形成细颗粒物（PM）、CO和碳氢化合物（HC）等大气污染物。催化燃烧能大幅度地降低天然气燃烧温度,从而显著降低甚至避免NO_x、PM、CO和HC的形成。若能有效降低天然气中甲烷的燃烧温度,则可减少NO_x的生成。尽管催化燃烧技术在天然气发电、机动车尾气净化、有机污染物消除等领域得到了一定的应用,但高比表面积、高水热稳定性和高活性催化材料的设计和制备是发展清洁燃料催化燃烧技术必须解决的一个核心问题。多孔材料负载贵金属颗粒催化剂有望在甲烷催化燃烧过程中表现出优异的催化性能。首先多孔材料相对于体相材料具有较高的比表面积,有利于增加反应物的接触面积,从而提高甲烷转化效率;其次贵金属纳米颗粒对甲烷燃烧具有较高的催化活性,但是其本身不稳定,易在高温烧结,从而影响其催化性能。将贵金属颗粒与多孔材料相结合后,多孔结构一方面可将贵金属高分散于载体表面,避免贵金属纳米颗粒在高温团聚和烧结而降低催化活性,另一方面还可形成贵金属-金属氧化物之间的活性界面,从而提高催化剂的活性。过渡金属Mn由于具有较好的甲烷催化活性,因此首先考虑提高Mn基氧化物催化剂的比表面积,考察具有较大比表面积的催化剂对于甲烷催化活性的提升效果。论文采用三维有序介孔二氧化硅（KIT-6）硬模板法、浸渍法和聚乙烯醇（PVA）保护的鼓泡还原法分别制备了具有三维有序介孔结构的Mn₂O₃及其负载贵金属合金纳米催化剂。为了提高Mn基金属氧化物催化剂的热稳定性,制备了Mn掺杂的六铝酸盐催化剂,获得了具有良好催化活性和热稳定性的负载型催化剂。最后通过Pt纳米颗粒的掺杂,进一步得到了对SO₂,CO₂和H₂O都有较好抵抗作用的负载型大孔六铝酸盐催化剂。采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）胶晶模板法和PVA保护的鼓泡还原法分别制备了Mn掺杂的三维有序大孔结构的六铝酸盐(3DOM LaMnAl₁₁O₁₉)及其负载Pd、Pd-Pt双金属合金纳米催化剂,利用多种分析技术表征了催化剂的物化性质,评价了其对甲烷氧化的催化性能,探讨了催化反应机理,揭示了催化剂的物化性质与其对甲烷氧化之间的构效关系。所获得的研究结果可为新型高性能催化剂的设计与制备提供有益指导,实现甲烷在较低温度催化燃烧,从而有利于节能减排,改善大气环境质量。因此,本学位论文的研究结果具有重要的学术意义和实用价值。论文取得了以下主要研究结果:（1）采用KIT-6硬模板法、浸渍法和PVA保护的还原法分别制备了meso-Mn₂O₃及其负载Pd、Pt和Pd-Pt合金[xPd_yPt/meso-Mn₂O₃,x=0.10-1.50 wt%,Pd/Pt摩尔比（y）=4.9-5.1]催化剂。具有立方晶体结构的meso-Mn₂O₃的比表面积高达106 m²/g,负载贵金属颗粒尺寸为2.1-2.8 nm,且均匀分布在meso-Mn₂O₃表面。Pd-Pt合金纳米颗粒的负载显著提高了对甲烷氧化的催化活性,其中1.41Pd_5.1Pt/meso-Mn₂O₃的催化活性最高:在空速为20000 mL/（g h）时,甲烷转化率达到10%、50%和90%时所需要反应温度(T_10%、T_50%和T_90%)分别为265 ^oC、345 ^oC和425 ^oC。此外,还考察了SO₂、CO₂、H₂O和NO对甲烷在1.41Pd_5.1Pt/meso-Mn₂O₃催化剂上氧化的催化活性的影响。根据表征结果和活性数据可知,1.41Pd_5.1Pt/meso-Mn₂O₃显示优良的催化性能与其高质量的孔结构、高浓度的表面吸附氧物种、好的低温还原性以及Pd-Pt合金纳米颗粒与meso-Mn₂O₃载体之间的强相互作用相关。（2）采用PMMA模板法和PVA保护的还原法制备了0.97 wt%Pd/3DOM LaMnAl₁₁O₁₉和0.98 wt%Pd/3DOM Mn₂O₃催化剂。制备的多孔材料具有较高质量的3DOM结构,粒径为2-5 nm的Pd粒子高分散于3DOM LaMnAl₁₁O₁₉或3DOM Mn₂O₃表面。0.97 wt%Pd/3DOM LaMnAl₁₁O₁₉催化剂中因具有最高浓度的O_ads物种和最好的低温还原性,因而对甲烷氧化显示最高的催化活性(在SV为20000 mL/（g h）的条件下,T_10%、T_50%和T_90%分别为259 ^oC、308 ^oC和343 ^oC)。在50 h的甲烷连续氧化反应中,0.97 wt%Pd/3DOM LaMnAl₁₁O₁₉呈现稳定且良好的催化活性,而0.98 wt%Pd/3DOM Mn₂O₃却表现出部分失活。当反应体系中引入3.0 vol%H₂O或2.0 vol%CO₂时,0.97 wt%Pd/3DOM LaMnAl₁₁O₁₉催化剂的部分失活是可逆的,但是其因100 ppm SO₂引起的失活却是不可逆的。因此,可以认为,含有三维有序大孔结构、高度分散的Pd纳米颗粒、高浓度的O_ads物种、良好的低温还原性以及Pd纳米颗粒与3DOM LaMnAl₁₁O₁₉之间的强相互作用是0.97 wt%Pd/3DOM LaMnAl₁₁O₁₉催化剂对甲烷氧化反应显示优良催化活性的主要影响因素。（3）采用PMMA模版法和PVA保护还原法制备了3DOM LaMnAl₁₁O₁₉负载Pd、Pd-Pt和Pt纳米催化剂。载体LaMnAl₁₁O₁₉经过1100 ^oC焙烧后呈现为六铝酸盐晶相,并且当其负载了贵金属颗粒后具有高达26-29 m²/g的比表面积。在3DOM LaMnAl₁₁O₁₉结构的载体表面高度分散的Pd-Pt粒子形成合金结构,平均粒径为3-5 nm。在不同Pd/Pt摩尔比的催化剂中,0.97 wt%Pd/3DOM LaMnAl₁₁O₁₉具有最高的表面吸附氧浓度以及最好的低温还原性,从而显示出最高的催化活性:当空速为20000 mL/（g h）时,甲烷转化的T_10%、T_50%和T_90%分别为259 ^oC、308 ^oC和343 ^oC。而在负载双金属合金颗粒催化剂中,1.14 wt%Pd_2.8Pt/3DOM LaMnAl₁₁O₁₉具有最佳的催化性能:当空速为20000 mL/（g h）时,甲烷氧化的T_10%、T_50%和T_90%分别为284 ^oC、372^oC和456 ^oC。尽管少量Pt的引入不利于催化活性的提高,但可显著增强Pd基催化剂的抗H₂O、抗CO₂和抗SO₂的能力。利用准原位XPS技术揭示了1.14Pd_2.8Pt/3DOM LaMnAl₁₁O₁₉和0.97Pd/3DOM LaMnAl₁₁O₁₉在不同温度下氧化过程中PdO活性物种的演化。