甲烷氧化偶联（OCM）反应可一步直接将价格低廉、储量丰富的天然气中的甲烷转化为高附加值的化工产品乙烯,近三十年来引起了人们的广泛关注。但到目前为止人们所研究的催化剂仍难以突破C2单程产率为30%这一最低工业化要求,且大部分催化剂只有在高温条件下才开始反应。因此寻找更高效或能在低温条件下活化甲烷分子开始反应的催化剂是目前急待解决的问题。本论文设计制备了一系列晶相结构不同的钙钛矿型锡酸锶,A位离子为Y3+的A2B2O7烧绿石复合氧化物用于OCM反应,系统阐述了催化剂表面活性氧物种、酸碱性和氧空位浓度与催化剂晶相结构的关系,及其对OCM反应性能的影响;明确阐释了气相氧在催化剂表面生成活性氧的机制;深入理解了这两类复合氧化物催化材料与OCM反应性能间的构效关系。为设计更高效的OCM反应催化剂提供了新思路。主要研究内容如下:第一部分:利用甘氨酸-硝酸盐盐助燃烧法合成了不同Sr/Sn化学计量比的钙钛矿型锡酸锶复合氧化物,包括常规SrSnO3钙钛矿和Ruddlesden-Popper相单层Sr2SnO4钙钛矿、双层Sr3Sn2O7钙钛矿用于OCM反应。三种催化剂的反应性能遵循以下顺序,即Sr2SnO4>Sr3Sn2O7>SrSnO3。其中Sr2SnO4可在800℃获得19%左右的C2收率。结果表明,表面亲电氧O2-/O22-和表面晶格氧O2-均为反应的偶联选择性氧中心;催化剂碱性位点主要由A位离子Sr2+提供,且中等强度碱中心和强碱中心都利于C2产物的生成。中等强度碱中心与氧空位及M+O-离子对密切相关。由于单层Sr2SnO4钙钛矿和双层Sr3Sn2O7钙钛矿具有Ruddlesden-Popper晶相结构,与常规结构的SrSnO3钙钛矿相比,其Sr2+配位数由12向9转变,Sn–O键长变大;且由于Sn–O键共价性比Sr–O键强,在OCM反应中易断裂形成氧空位。因此,与SrSnO3相比,Sr2SnO4和Sr3Sn2O7氧空位形成能更低,氧离子电导率更高,在OCM反应过程中能产生更为丰富的OCM活性氧物种。另由于Sr2SnO4、Sr3Sn2O7和SrSnO3的Sr/Sn摩尔比分别为2/1、1.5/1和1/1,Sr2SnO4表面碱中心更丰富,能更好地稳定亲电氧物种O2-/O22-,因此具有单层层状钙钛矿结构的Sr2SnO4表现出最佳的OCM反应性能。第二部分:利用甘氨酸-硝酸盐盐助燃烧法制备了一系列固定A位为Y3+而改变B位为Ti4+、Sn4+、Zr4+或Ce4+的Y2B2O7复合氧化物催化剂用于OCM反应。结果表明,随着A位离子与B位离子半径比值（rA/rB）逐渐减小,催化剂晶相结构由严整烧绿石（Y2Ti2O7）转变到无序烧绿石（Y2Sn2O7）,再到无序缺陷萤石（Y2Zr2O7）,直至最终到稀土氧化物C型（Y2Ce2O7）晶相。所有催化剂的OCM反应性能遵循以下顺序,即Y2Zr2O7>Y2Ce2O7>Y2Ti2O7>Y2Sn2O7。其中具有无序缺陷萤石相的Y2Zr2O7由于结构的无序度最大,氧空位浓度最高,性能最好。通过各种表征方法,阐明了晶相结构变化对催化剂表面物理化学性质和OCM反应性能的影响。结果表明,Y2B2O7催化剂的OCM反应性能不仅取决于催化剂的晶相结构和亲电氧O-、O2-的含量,还取决于催化剂的表面酸碱性质。催化剂表面具有较多的中等强度碱性位点和O-、O2-氧物种,且强酸性位点较少的催化剂具有更好的C2选择性。强酸性位点则因为易吸附甲基自由基导致深度氧化,产生COx而降低C2选择性。此外,Y2B2O7催化剂的酸、碱性位点由其晶相结构和A、B位金属离子的性质共同决定。