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近年来温室气体对环境的不良影响日益严重，同时储量巨大的天然气已逐渐代替石油成为重要的化学化工原料。在这样的双重背景下，CH4-CO2重整反应兼具环保效益和经济效益的优点引起了人们的广泛关注，成为了当前多相催化和C1化学领域研究的热点课题之一。贵金属(Rh、Ru、Pd、Pt等)和Fe、Co、Ni均对CH4-CO2重整反应表现出了一定的催化反应活性。其中贵金属催化剂具有较好的反应性能，但是昂贵的价格和资源有限性限制了它们在大规模过程中的应用；Fe和Co基催化剂活性较差，难以实现过程的经济性。Ni基催化剂具有较高地活性，但其突出缺点是易积碳失活，因此高稳定性Ni基催化剂的开发工作是当前这一领域的研究重点。
本论文基于纳米科学与技术，构筑了具备介孔结构特征的Ni-CaO-ZrO2三元纳米复合氧化物催化剂，通过催化剂设计概念的验证、廉价化制备方法的筛选、反应机理的研究以及应用窗口的考察，系统地研究了Ni-CaO-ZrO2催化剂在CH4-CO2重整反应中的反应性能、构效关系、失活行为和反应机理。所开发的催化剂反应性能优越，是一种具有工业应用潜力的CH4-CO2重整反应催化剂。论文主要工作包括：
●介孔Ni-CaO-ZrO2纳米复合氧化物催化剂设计概念的验证。采用金属醇盐水解法，在模板剂的导向作用下合成了Ni-CaO-ZrO2催化剂。该催化剂比表面积较高，孔道系统发达。催化剂中Ni-ZrO2之间存在着一定的相互作用，其程度较为适中，能够有效地增强Ni物种的分散和抗烧结能力，同时也不会引起催化剂还原活化的困难，高分散的Ni物种非常有利于催化剂活性的提高。在孔道“限阈效应”和Ni-ZrO2相互作用的共同影响下，催化剂表面纳米级Ni颗粒的热稳定性得到了很大地增强，其在CH4-CO2重整反应过程中的烧结得到了有效地抑制，从而大大减少了反应过程中的积碳，进而增强了该催化剂的稳定性。
●介孔Ni-CaO-ZrO2纳米复合氧化物催化剂制备的廉价化。以Ni、Ca和Zr的硝酸盐为前驱体，通过简单的并流共沉淀方法得到了高度纳米化的介孔Ni-CaO-ZrO2纳米复合氧化物催化剂，与金属醇盐水解法相比，该方法节约了催化剂的成本，同时可制备得到纳米化程度更高的催化剂。通过系统地表征工作发现，催化剂比表面积高，孔径分布窄，各晶相以近乎无定形的状态存在，互相嵌合形成一种“海绵状”结构，纳米晶粒堆积形成了发达的介孔孔道系统。所合成的催化剂在CH4-CO2重整反应中活性高，稳定性好。通过脉冲瞬时反应手段发现，重整反应在该催化剂表面是通过一种“Ni-ZrO2双活性位”的途径进行，这种方式非常有利于反应过程中CHx物种的及时转化，增强了催化剂的消碳能力，实现了过程积碳-消碳的平衡，避免了强惰性积碳的生成，从而使催化剂在有积碳形成的条件下稳定运转。
● Ni含量对催化剂结构和性能的影响及应用条件考察。催化剂孔道结构完善程度和反应性能优劣与其中Ni的含量呈火山型关系，当Ni/Zr原子比为0.4时，催化剂孔道结构好，活性稳定性高。通过不同条件下的反应评价发现，在823-1023 K的温度范围内，介孔Ni-CaO-ZrO2纳米复合氧化物催化剂在CH4-CO2重整反应中表现出了优异的催化性能，在空速低于48Lh-1g-1时，各反应物的转化率可达到相应温度条件下的平衡转化率。随着温度的升高，反应物的转化率不断升高，同时形成积碳的数量减少，催化剂能够更加稳定地运转。空速对催化剂稳定性的影响不大，但高空速条件下由于停留时间的降低，反应物的转化率会逐渐减小。在系统地反应评价工作基础上，介孔Ni-CaO-ZrO2纳米复合氧化物催化剂最佳的应用条件范围为：温度大于923K，空速不高于48Lh-1g-1。除此之外，进料比对催化剂表面积碳量有重要影响，在实际操作中，可使用高于化学计量的CO2/CH4进料比以抑制反应过程中积碳的形成。