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以分子氧为氧化剂，乙烷直接选择氧化生成醛类含氧化合物是低碳烷烃有效利用研究中的巨大挑战之一，乙烷选择氧化反应过程的研究工作对于低碳烷烃的活化和直接转化具有重要意义。乙烷分子的稳定性仅次于甲烷，在乙烷选择氧化反应中，高活性和高选择性难以兼得。本工作致力于担载型高分散催化剂体系上乙烷分子氧选择氧化反应生成醛类含氧化合物的研究。
采用浸渍法制备了多个系列催化剂，包括：钾修饰的不同载体担载的低载量钒基催化剂(SiO2、TiO2、Ce2O3、ZrO2、Ce0.7Zr0.3O2、α-Al2O3、γ-Al2O3、SBA-15、β-SBA-15、MCM-41、Mor、ZSM-5和NaY)；钾修饰前后SiO2担载的低载量过渡金属氧化物催化剂(M/SiO2，M：Si=0.1：100；K-M/SiO2，K：M：Si=1.0：0.1：100，M为V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)；钾修饰前后SBA-15担载不同钒载量的催化剂(V/SBA-15，V：Si=x：100；K-V/SBA-15，K：V：Si=1.0：x：100，x=0～10.0)；SBA-15担载极低载量活性组分的催化剂(M/SBA-15，M：Si=0.05：100，M为B、P、Bi、In、Pb、Zn、Cu、La、Ag、Ce、V、Mo、W、Cr、Fe、Ni和Co)和钾修饰的SBA-15担载极低载量活性组分的催化剂(K-M/SBA-15，K：M：Si=2.0：0.05：100，M为B、P、V、Mo、La和Ce)；不同钾载量的K/SBA-15催化剂；载量同为2.5％的SBA-15担载不同碱金属的催化剂(M/SBA-15，M为Li、Na、K、Rb和Cs)。考察了催化剂的乙烷选择氧化催化性能，并采用N2吸附、XRD、UV-Vis、FT-IR、UV-Raman、H2-TPR、CO2-TPD和NH3-TPD等方法对样品的物化性质进行分析与表征。
利用钾修饰的SiO2担载过渡金属高分散隔离活性位催化剂体系探讨了过渡金属离子结构与乙烷选择氧化催化性能的关系，发现相对稳定的全充满、半充满或无d电子的表面离子结构的存在有利于乙烷分子氧选择氧化过程，而存在多种价态的不稳定的离子结构有利于乙烷深度氧化的进行。这一规律的发现有利于烃类选择氧化催化剂的优化设计。
催化剂活性评价和表征结果表明：SiO2和SBA-15最适于做乙烷选择氧化催化剂载体；在SBA-15担载低载量活性组分催化剂上和SiO2担载低载量不同过渡金属氧化物催化剂上，活性组分通常是以高度分散的状态存在于载体表面。当载量小于5.0％时，SBA-15担载碱金属元素的催化剂能够保持分子筛载体所具有的高度有序介孔孔道结构。
首次将SBA-15作为载体应用于乙烷分子氧选择氧化催化剂体系。研究结果表明，钒载量小于0.1％时，V/SBA-15和K-V/SBA-15表面是具有隔离的四面体配位结构的钒氧物种，该物种是乙烷选择氧化生成醛类的活性物种；钒载量大于2.5％时，V/SBA-15和K-V/SBA-15表面是聚合的钒氧物种和钒氧化物微晶，这些物种是乙烷氧化脱氢或深度氧化的活性物种。
发现纯硅分子筛SBA-15担载碱金属的催化剂是适用于乙烷选择氧化生成醛类含氧化合物的新型催化剂体系。本研究得到了目前乙烷选择氧化生成醛类含氧化合物研究中的最佳结果，即以分子氧为氧化剂，在纯硅分子筛SBA-15担载钾的催化剂上，钾担载量为2.0％、反应温度为748K时，乙烷的转化率为14.8％，总醛的收率为5.2％，其中丙烯醛的收率为2.5％。以分子氧为氧化剂，在纯硅分子筛SBA-15担载碱金属的催化剂上的乙烷选择氧化反应中，催化剂相对较弱的表面碱性位和良好的还原性有利于乙烷选择氧化反应的进行。
探讨了乙烷选择氧化反应机理以及由乙烷生成醛类产物的反应路径。研究结果表明，在钾修饰的SiO2担载极低载量过渡金属的催化剂和纯硅分子筛SBA-15担载碱金属的催化剂上，乙烷选择氧化反应中的醛类产物同时包含甲醛、乙醛和丙烯醛，丙烯醛是在碱催化的作用下由甲醛和乙醛发生交叉缩合反应生成。