随着全球环境和能源问题的日益凸显,以天然气为燃料在能源领域中的占比在不断提高。天然气的主要成分是CH₄,将CH₄转化为具有更高价值的化学产品和液体燃料是高效利用能源的重要途径。同时工业化生产的不断发展也加剧了CO₂的排放。CH₄、CO₂这两种气体的不合理化利用是造成全球温室效应、气候变暖的重要原因之一。因此实现CO₂的减排以及CH₄的高效利用是全球关注的焦点。CH₄-CO₂重整反应不仅可以同时利用甲烷、二氧化碳两种温室气体并将其转化为合成气,且产物可以直接作为F-T合成的原料气合成碳链较长的烃类化合物。目前CH₄-CO₂重整反应存在的主要问题是较高的反应温度和副反应生成的积碳容易导致催化剂烧结并失活。因此,开发具有高活性、高抗烧结和积碳性能的重整反应催化剂是该研究的核心。本论文主要围绕非贵金属Co基催化剂展开,从影响活性金属的分散性、活性金属与载体之间的相互作用力以及催化剂的氧化还原性能等几个方面进行研究。论文首先从载体对Co基催化剂催化性能的影响出发,考察了不同活性炭载体对Co基催化剂催化活性的影响。通过对比不同活性炭载体发现,一方面具有较好物理结构性能的活性炭有助于提高活性金属在其表面的分散,改善碳材料载体和活性金属之间的作用力,从而在很大程度上抑制反应过程活性金属的烧结,另一方面具有丰富酸碱性位的载体能够提高反应过程中对反应气体CO₂的吸附,加速反应气体的活化和解离。在此基础上,本文进一步对活性炭载体进行氮掺杂改性,通过在碳材料载体中引入含氮官能团来调节载体表面酸碱性及其电子转移性能,进而提高活性金属在载体表面的分散性以及催化剂的氧化还原性能。系统考察了氮掺杂改性过程中不同焙烧温度、不同掺氮量对碳材料载体吸附性能以及电子转移特性的影响,获得了氮掺杂改性条件与重整反应催化性能之间的构效关系,从而优化出氮掺杂改性的最佳制备条件。研究结果表明,以氮掺杂改性后的碳材料为载体制备的Co基催化剂催化活性显著提高。改性后载体表面的吡啶氮等碱性官能团促进了CO₂的吸附与活化,而吡咯氮促进了电子的转移,提高了催化剂的还原性能。氮掺杂改性后催化剂表面活性金属Co²⁺的比例大幅增加,催化剂表面Co²⁺与Co³⁺周期性的氧化还原反应加速积碳的氧化,减少积碳在活性金属上的积累。其次,在氮掺杂碳材料Co基催化剂基础上进一步添加第二金属调节双金属之间的相互作用,详细考察了不同第二金属以及第二金属Ce与活性金属Co的配比对催化活性的影响。研究结果表明,不同第二金属的添加对催化剂中Co²⁺/Co³⁺比例影响较大,金属Fe、Zr的添加提高了催化剂的氧化性能,催化剂中大部分Co²⁺被氧化成Co³⁺,而Ce的添加促使Co²⁺和Co³⁺的共同存在。不同Co/Ce比对催化剂中Co²⁺/Co³⁺比值有较大的影响,当Co/Ce=1时,催化剂中Co²⁺/Co³⁺比值更接近于1,钴铈双金属形成具有较强相互作用力的合金,双金属之间的协同作用和催化剂表面较高含量的化学吸附态氧加速了积碳的气化速率,进而提高了催化剂的稳定性。此外,在最佳Co-Ce双金属配比的基础上添加碱土金属助剂进一步改善催化剂的表面化学性质,考察了碱土金属助剂种类以及钴铈双金属和碱土金属的浸渍顺序对催化剂结构和性能的影响。研究结果表明,助剂的添加改善了催化剂的碱性位,提高了双金属之间的相互作用力。采用共浸渍法且添加助剂Ca制备的催化剂具有较佳的催化活性。该催化剂中双金属之间具有较强的相互作用力,且催化剂表面相等比例的Co²⁺/Co³⁺、较高含量的化学态吸附氧加速了重整反应速率,重整反应前后催化剂中活性金属仍保持较高的分散性,反应后催化剂的石墨化程度较低。而以顺序浸渍法制备的催化剂重整反应后生成了大量碳纳米管,这也是该催化剂在较短反应时间内活性降低的主要原因。最后,对1Co-1Ce-1Ca/AC-N催化剂上CH₄-CO₂重整反应机理和宏观动力学进行探讨。通过在反应温度为800℃不同反应时间下催化剂的FTIR和XPS分析结果初步得到反应气体CH₄、CO₂在催化剂1Co-1Ce-1Ca/AC-N上的作用机理。将实验得到的动力学参数通过PL模型、ERⅠ模型、ERⅡ模型以及LH四种不同模型进行拟合,研究发现当反应温度在650-800℃之间,LH模型得到的理论值与实验值具有较高的拟合度,该模型能够较好呈现出不同反应气体在反应过程中的变化规律,最终得到该温度下反应速率常数与反应温度之间的关系分别为:k=2.11×exp（124,00/RT）,K_CH4=3.09×10^-6×exp（-117,000/RT）,K_CO2=0.014×exp（-47,000/RT）。