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氢气是一种重要的绿色新能源,其优点是燃烧热值高;理论上水是唯一燃烧产物,很洁净。甲烷重整是一种经济、高效的制氢方法,如甲烷水蒸汽重整和甲烷二氧化碳重整等。其中,甲烷水蒸汽重整应用最为普遍并已大规模工业化,全世界约有1/2的氢气通过该方法制取。目前重整制氢另一研究热点是通过二氧化碳与甲烷重整制氢。该反应有助于减少温室效应,对环境保护和可持续发展有着重要意义。但目前甲烷重整制氢的技术路线存在生产成本较高、催化剂易积碳等问题。因此,氢气作为绿色能源的大规模商业推广还有待解决以下关键问题:深入理解重整制氢的机理,研发高效耐积碳的催化剂,减少传质传热消耗,使目前的甲烷重整制氢技术更加廉价可行和推广。Ni基催化剂在甲烷重整反应中虽具有较高的初始活性,但高温下易产生积碳、Ni颗粒易聚集,导致催化剂失活。因而有待于解决的核心问题是促进活性中心Ni的分散及如何阻止Ni晶粒在高温重整反应中聚集。本文深入理解甲烷重整制氢机理,从催化剂结构、Ni晶粒尺寸控制以及Ni与载体间相互作用等角度出发,设计并构筑了不同的高效镍基重整催化剂。首先,采用蒸发诱导自组装法制备了有序介孔Ni-Al2O3催化剂,用于甲烷二氧化碳干气重整反应。与传统浸渍法制备的Ni/Al2O3催化剂相比较,蒸发诱导自组装法合成的介孔Ni-Al2O3催化剂具有更大的比表面积以及规则有序的孔道结构和更小的镍晶粒度,其热稳定性和抗积碳性能也远远优于用浸渍法制备出的催化剂。并研究探讨了Zr元素掺杂改性对介孔Ni-Al2O3催化剂的结构及催化性能的影响,结果表明少量Zr的添加,催化剂的稳定性和抗积碳性能得到进一步优化。其次,选择软模板法合成了具特定形貌、特定孔道结构的SiO2载体,采用浸渍法以乙二醇作为溶剂制备出CeNi/m-SiO2催化剂,并用于甲烷二氧化碳干气重整反应。结果表明:活性Ni纳米颗粒进入介孔SiO2载体的孔道,孔道限域效应有效地抑制了活性组分Ni颗粒在高温聚集。Ce助剂增强了Ni组分与载体介孔SiO2间相互作用,分散度进一步优化,得到粒径更小的Ni纳米粒子。其中,5CeNi/m-SiO2催化剂中Ni颗粒平均粒径为4.4 nm,在甲烷二氧化碳干气重整反应中表现出高活性和优异的抗积碳性能。另外,采用共沉淀法、甘氨酸燃烧法和水热合成法制备了具有不同形貌的Y2Zr2O7烧绿石载体（纳米球、不规则大孔结构烧绿石和纳米片状结构）,并对其负载Ni催化剂用于甲烷水蒸气重整。其中,甘氨酸燃烧法合成具有不规则大孔结构的Ni/Y2Zr2O7-GNC催化剂在甲烷水蒸气重整制氢反应中表现出最高的活性和抗积碳性能。研究表明,具有最高活性的Ni/Y2Zr2O7-GNC催化剂,活性中心Ni与载体间存在更强的SMSI作用,催化剂具有更高的热稳定性,是其高活性的主要原因。最后,采用介质阻挡等离子体对Ni/Y2Zr2O7催化剂进行焙烧前处理,研究了其甲烷二氧化碳干气重整性能。经过等离子体处理后,催化剂的比表面积略有增大,活性组分Ni在Y2Zr2O7烧绿石表面分散性得到改善提高。TPR和XPS结果表明活性组分Ni与载体间相互作用也进一步增强,TEM和TGA-DSC证实经过等离子体处理后的Ni/Y2Zr2O7催化剂积碳行为受到有效抑制,因而在甲烷二氧化碳干气重整中具有更高活性和稳定性。