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在煤制天然气的工艺中,合成气甲烷化工艺和甲烷化催化剂是其核心。本课题针对传统甲烷化催化剂存在低温活性差,高温易烧结、易积碳等核心科学问题,开展如下研究：(1)采用共浸渍法制备含有不同V含量的Ni-V2O3/Al2O3催化剂。系统地考察氧化钒物种的加入对催化剂结构、形貌、表面特性、Ni物种的分散性和还原性以及催化活性和稳定性的影响。结果表明,与不含V物种的催化剂相比,Ni-V2O3/Al2O3催化剂在催化活性、稳定性和抗积碳性能上均有显著提升。研究发现在焙烧过程中催化剂上形成了Ni3V2O8,这有利于减小Ni晶粒尺寸,提高Ni的分散性和H2化学吸附量,进而使催化剂显示出更高的活性。V203的氧化-还原循环过程能够增加催化剂中的氧空位含量,促进副产物CO2解离产生表面活性氧中间体,从而抑制Ni颗粒表面积碳的形成,提高催化剂的抗积碳性能。此外,Ni-V2O3/Al2O3催化剂也显示出较高的C02甲烷化催化活性。(2)基于上面的研究结果,采用“一锅”溶剂蒸发诱导自组装法制备含有不同V含量的Ni-V-Al三元有序介孔催化剂。与浸渍法制备的有序介孔氧化铝和非有序介孔氧化铝为载体的催化剂相比,“一锅”法制备的有序介孔催化剂具有更高的催化活性。适量V物种的加入到有序介孔Ni-Al催化剂中能够进一步提升CO甲烷化催化活性。110h的稳定性实验结果显示有序介孔Ni-V-Al催化剂具有同时抗烧结、抗积碳的性能,这主要是因为催化剂较小的Ni晶粒尺寸(约3.0 nm)、较强的金属-载体相互作用以及合适的孔道尺寸(约10.0 nm)的协同作用结果。(3)采用Cr203作为助剂,利用“一锅”溶剂蒸发诱导自组装法制备了Ni-Cr-Al三元有序介孔复合氧化物用于CO甲烷化反应。结果表明,Cr物种分散在有序介孔氧化铝骨架里,而Ni颗粒则分散在孔道中,并且当Cr203和NiO物种的总量不超过22 wt%时,制得的Ni-Cr-Al材料均能保持有序介孔结构。适量Cr助剂的加入可以显著提高催化剂对H2和CO的化学吸附能力。与传统的浸渍法制备的催化剂相比,优化后的有序介孔Ni-O-Al催化剂显示出更高的催化活性、稳定性以及抗烧结和抗积碳性能,这是由于锚定在孔道中的较小的Ni颗粒、介孔孔道的限域效应以及Cr助剂的辅助效应的协同作用结果。(4)同样采用“一锅”溶剂蒸发诱导自组装法制备三元有序介孔Ni-Fe-Al复合氧化物用于CO甲烷化反应。实验结果表明,在还原态的催化剂上,没有观察到任何的金属Fe, Fe物种以Fe304和FeO混合物的形式存在。适量Fe物种的加入可以增加催化剂的H2吸附量,显著地提升催化剂的活性。另外,有序介孔Ni-Fe-Al催化剂也显示出较高的抗烧结和抗积碳性能。(5)采用沉积沉淀法制备高镍(NiO 40 wt%)负载量的Ni-CeO2/Al2O3甲烷化催化剂。与浸渍法、共浸渍法和连续浸渍法制备的催化剂相比,沉积沉淀法制备的催化剂具有最高的活性,同时显示出更高的稳定性以及抗积碳和抗烧结性能。由于制备过程中的静电吸附作用,CeO2可以选择性地沉积到NiO/Al2O3催化剂的NiO表面而非Al2O3表面。CeO2的这种分布有利于在高温还原和反应过程中有效抑制Ni颗粒的烧结,并可以增加催化剂的氧空位从而有效抑制Ni颗粒表面积碳的形成。(6)将Ni-V2O3/Al2O3低温甲烷化催化剂进行实验室的放大制备和成型工艺研究。成型后催化剂的整体性能已达到商业催化剂水平,并且可以在实验室规模稳定运行100 h。