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近年来温室气体对环境的不良影响日益明显，同时储量巨大的天然气正逐渐替代石油成为21世纪的主要能源和重要的化学化工原料。CH4三重整过程是关于天然气利用的一个全新的途径。该过程一方面可以有效利用温室气体CO2，另一方面可根据合成气不同的深加工过程需求灵活地控制产物分布，同时，该过程还能够克服CH4-CO2重整过程严重的积碳问题，并具有（部分）自供热等优势。目前，对CH4三重整反应催化剂的研究主要集中在Ni基催化剂上，Ni基催化剂具有较高的催化活性，但其突出的特点是易因积碳而失活，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。
本课题前期采用并流沉淀法制备出了一种具有较高比表面积的介孔Ni-CaO-ZrO2纳米复合氧化物催化剂，该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。本文在课题组前期工作的基础上，以此介孔催化剂为模型催化剂，通过对催化剂制备条件的优化、三重整反应条件的优化以及催化剂应用窗口的考察，系统研究了介孔Ni-CaO-ZrO2催化剂在CH4三重整反应中的反应性能、构效关系以及失活行为等。
本论文的研究工作主要包括以下几个方面:
(1)利用HSCChemistry6.0软件，通过吉布斯自由能最小化方法对CH4-CO2重整，CDR-SRM、CDR-POM耦合重整，CH4三重整过程的热力学状态进行了系统的分析。结果发现:原料气进料比的不同对重整反应有比较明显的影响，H2O和O2的加入均能够改变反应物转化率以及产物分布，其中，H2O能够明显提高产物合成气H2/CO比，而O2的加入则能够显著提高CH4转化率。对于三重整而言，反应温度的升高会明显提高反应物的转化率，但却会使产物合成气H2/CO比降低，另外，由于SRM、POM和CDR三个反应均是分子数增加的反应，因此反应压力的增加会使反应物转化率降低，同时也会降低产物合成气H2/CO比。
(2)对催化剂的制备参数进行了优化，揭示了催化剂的构效关系。在不同条件下采用并流共沉淀法制备了Ni-CaO-ZrO2催化剂，并将其用于CH4的三重整反应过程。以CH4的转化率和催化剂稳定性为指标，研究了催化剂合成过程中各工艺参数对其催化性能的影响。不同制备条件下得到的催化剂在比表面积、晶相结构、Ni-ZrO2相互作用以及催化性能等方面具有一定差别。其中，较高的焙烧温度和沉淀pH有利于增强催化剂中Ni-ZrO2相互作用，这一作用有助于纳米级Ni颗粒的形成及稳定;一定的回流时间能够促使催化剂形成其独特孔道结构和较大的比表面积。以上两方面因素的平衡是催化剂具备优良性能的必要条件。
(3)考察了介孔Ni-CaO-ZrO2催化剂上不同耦合方式的CH4重整反应以及温度、空速对CH4三重整反应制合成气过程的影响。与CDR反应相比，CDR-SRM与CDR-POM耦合重整反应均在提高催化剂的稳定性和产物分布的可调性方面具有积极意义。CDR-SRM反应能够在较大范围内对产物组成进行调变;CDR-POM反应在改善催化剂活性和稳定性方面有明显的优势。三重整反应能够集合各反应的长处，更好的发挥耦合重整过程的明显优势，然而在较高的反应温度下，该过程中复杂的气氛环境可能会造成催化剂的烧结，破坏催化剂自身的结构特征，从而引起失活。