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煤层气的主要成分是甲烷，高浓度甲烷可以作为燃料直接燃烧利用，而低浓度甲烷难以直接燃烧利用。低浓度甲烷占煤层气开采量的70％，每年都有大量的煤层抽放气直接排放到大气中，不仅造成资源的巨大浪费，而且带来严重的温室效应。催化燃烧是一种在低温下有效处理这种低浓度甲烷的方法之一，既可以减少环境污染又可以使能源回收利用。催化燃烧技术中的一个重要环节就是催化剂的研发。常用的催化剂有贵金属催化剂和非贵金属催化剂，贵金属催化剂在低温下具有良好的催化性能，但易中毒并且资源有限;而非贵金属催化剂一般情况下低温活性差，但其资源丰富、廉价，具有大规模应用的前景。 本文通过改变制备方法、调变制备参数、控制反应条件制备了钙钛矿催化剂、Cu-Mn-Ce催化剂及过渡金属氧化物催化剂（Mn-Ni-O和Cu-Mn-O催化剂）。催化性能测试结果表明，相同测试条件下Mn-Ni-O催化剂具有最好的甲烷催化燃烧性能。运用XRD、H2-TPR、CH4-TPR、TEM、XAFS及XPS等多种检测方法对催化剂的结构和性能进行了关联。其主要研究结论如下: (1)催化剂筛选:首先，采用溶胶-凝胶法(SG)、尿素燃烧法(CS)和共沉淀法(CP)合成了钙钛矿催化剂，并通过调变实验参数、控制合成条件，提高了其甲烷催化燃烧性能。其次，运用共沉淀法制备了Cu-Mn-Ce催化剂，考察了铜铈的组分配比对催化性能的影响;结果表明，Cu-Mn-Ce催化体系催化燃烧温度较高。另外，采用共沉淀法(CP)制备了Mn-Ni-O和Cu-Mn-O催化剂，通过对沉淀剂浓度、老化时间、沉淀温度及沉淀终点pH值等制备条件的优化控制，所得到的Mn-Ni-O和Cu-Mn-O复合氧化物催化剂表现出优异的甲烷催化燃烧性能，它们分别在450℃和500℃左右将甲烷完全氧化。在后续实验中，着重对Mn-Ni-O和Cu-Mn-O催化剂进行了深入研究。 (2)采用共沉淀法(CP)制备了一系列Mn含量不同的MnOx(m)-NiO复合氧化物催化剂并用于低浓度甲烷催化燃烧。与单一金属的Ni、Mn氧化物催化剂相比，掺杂适量Mn得到的MnOx(m)-NiO复合氧化物催化剂在低浓度甲烷催化燃烧中表现出良好的催化活性;XRD和HRTEM的结果表明MnOx(m)-NiO是以Ni-Mn-O的固溶体存在;XAFS和XPS的表征结果证明了在MnOx-NiO中，锰含量对锰的价态和镍氧化物的品格缺陷有着重要的影响;MnOx-NiO催化剂中Mn/(Mn+Ni)的原子比率是0.13时，由于Mn和Ni的强烈相互作用，氧化物中有大量高度分散的Mn4+、高的Mn-O配位数和镍空位;H2-TPR和O2-TPD结果表明，MnOx-NiO复合氧化物比NiO有更好的还原性和氧移动性。在MnOx-NiO复合氧化物中，NiO和MnOx强烈的相互作用致使复合氧化物催化剂在低浓度甲烷催化燃烧中表现出较高的活性。MnOx(0.13)-NiO复合氧化物的热稳定性高于NiO催化剂，但是在H2O和H2S的存在下，催化剂的活性均会降低。 (3)采用共沉淀法制备了一系列铜含量不同的CuO(n)-MnOx复合氧化物催化剂;用于低浓度甲烷催化燃烧时，其催化活性优于单一金属的Cu、Mn氧化物，且表现出良好的热稳定性;XRD和XAFS的结果表明CuO(n)-MnOx是以Cu-Mn-O的固溶体存在;H2-TPR和CH4-TPR结果表明CuO(n)-MnOx复合氧化物有高的还原性和甲烷活化能力;依据DRIFTS表征结果，初步探索了低浓度甲烷在CuO(n)-MnOx催化剂上的反应机理，结果显示脱羟基反应可能促进了甲烷反应和提高了甲烷燃烧的催化活性。