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随着全球经济的快速发展，有限的煤炭、石油等化石能源已经成为了制约社会可持续发展的主要因素之一。氢气作为一种高效的清洁能源，将在21世纪的能源舞台上扮演重要角色。目前工业上制氢主要通过高温重整反应将甲烷转化成一氧化碳和氢气。甲烷是天然气及页岩气的主要成分，储量丰富。通过甲烷重整制氢可实现甲烷的高值转化利用。由于大气中排放的CO2越来越多，并带来了一系列环境问题，通过CO2甲烷化以及甲烷CO2重整可以对CO2进行有效的资源化利用。在上述反应中，Ni基催化剂表现出良好的初始活性，且廉价易得。但是在使用过程中，Ni易聚集并且容易积碳，从而导致催化剂活性下降。因此本文在明确了甲烷重整以及CO2甲烷化反应的机理的基础上，从增强金属与载体的相互作用角度出发，制备了性能良好的催化剂用于上述反应。主要成果如下：
第一部分：为了探究用NiO与Y2Ti2O7载体之间的相互作用，从而获得性能更佳的甲烷水蒸气重整制氢(SRM)催化剂，我们采用了低温DBD等离子体在不同气氛下制备了多种Ni/Y2Ti2O7催化剂用于反应。结果表明，经过等离子体处理的催化剂的反应性能和抗积碳能力均比未处理的催化剂明显提高，其反应顺序为Ni/Y2Ti2O7-H2P＞Ni/Y2Ti2O7-ArP＞Ni/Y2Ti2O7-AirP＞Ni/Y2Ti2O7。H2-TPR和XPS结果表明，等离子体处理能有效增强NiO和Y2Ti2O7载体之间的相互作用，且Ni2+优先与Y2Ti2O7烧绿石载体A位的Y3+离子相互作用。因此，在还原过程中可抑制活性组分Ni粒子的团聚，从而得到具有较高Ni分散度的催化剂。Raman、EPR和XPS结果表明，Y2Ti2O7烧绿石相本征8a氧空位产生的超氧O2-物种是唯一的表面活性氧位点，可对积碳的消除起关键作用，且等离子体处理可促进超氧物种的形成。综上所述，DBD等离子体处理可以提高金属Ni活性表面积和表面活性超氧O2-物种的量，从而有效提高了催化剂的反应性能和抗积碳性能。
第二部分：将不同含量的NiO负载在Y2Ti2O7烧绿石载体上，通过XRD外推法计算得到NiO在Y2Ti2O7烧绿石载体上的单层分散阈值为1.20mmolNiO/100m2Y2Ti2O7，换算成质量分数对应于0.025gNiO/gY2Ti2O7，XPS外推结果与其相近。根据甲烷干气重整反应结果可知，随着NiO含量的增加，催化剂的积碳量也呈明显上升的趋势。NiO含量处于单层分散阈值附近的2%NiO/Y2Ti2O7和3%NiO/Y2Ti2O7催化剂具有与其它高Ni含量催化剂相近的活性，并且表现出最佳的抗积碳性能。H2-TPR和XPS结果证实了处于单层和亚单层状态的NiO与Y2Ti2O7载体相互作用较强，这是由于单层分散阈值以下的Ni2+同时与Y2Ti2O7载体上的Y和Ti产生了相互作用，因此其还原出来的Ni分散度及活性比表面积更高。其中接近单层分散阈值的2%NiO/Y2Ti2O7和3%NiO/Y2Ti2O7催化剂具有更多的表面活泼超氧O2-物种，并且对反应物分子CO2吸附能力也最强，这也是其具有良好的抗积碳性能主要原因之一。总而言之，金属与载体的相互作用影响着表面的氧以及还原后Ni的性质，从而影响催化剂的性能。
第三部分：采用胶晶模板法(选用PMMA为硬模板，同时引入F127软模板)成功合成了具有介孔孔壁的三维有序大孔3DOM-Y2Zr2O7烧绿石载体。N2吸脱附以及SEM表明其具有丰富的孔道结构、较大的比表面积以及较规整的大孔结构。负载Ni后用于CO2甲烷化以及甲烷干气重整反应，三个催化剂的反应性能均遵循以下顺序：Ni/Y2Zr2O7-3DOM700＞Ni/Y2Zr2O7-3DOM800＞Ni/Y2Zr2O7-CP800。H2-TPR、TEM、H2吸脱附结果证实，与传统共沉淀法制备的Ni/Y2Zr2O7-CP800催化剂相比，Ni/Y2Zr2O7-3DOM700以及Ni/Y2Zr2O7-3DOM800催化剂具有更强的金属与载体相互作用，从而导致其还原出来的Ni具有更小的晶粒以及更高的分散度。CO2-TPD、XPS及O2-TPD结果表明Ni/Y2Zr2O7-3DOM700及Ni/Y2Zr2O7-3DOM800催化剂表面具有更多的表面氧空位，从而其具有更佳的CO2吸附能力。InsituDRIFT结果证实，在本章中性能最好的Ni/Y2Zr2O7-3DOM700催化剂上，CO物种为重要的CO2甲烷化中间产物。
第一部分：为了探究用NiO与Y2Ti2O7载体之间的相互作用，从而获得性能更佳的甲烷水蒸气重整制氢(SRM)催化剂，我们采用了低温DBD等离子体在不同气氛下制备了多种Ni/Y2Ti2O7催化剂用于反应。结果表明，经过等离子体处理的催化剂的反应性能和抗积碳能力均比未处理的催化剂明显提高，其反应顺序为Ni/Y2Ti2O7-H2P＞Ni/Y2Ti2O7-ArP＞Ni/Y2Ti2O7-AirP＞Ni/Y2Ti2O7。H2-TPR和XPS结果表明，等离子体处理能有效增强NiO和Y2Ti2O7载体之间的相互作用，且Ni2+优先与Y2Ti2O7烧绿石载体A位的Y3+离子相互作用。因此，在还原过程中可抑制活性组分Ni粒子的团聚，从而得到具有较高Ni分散度的催化剂。Raman、EPR和XPS结果表明，Y2Ti2O7烧绿石相本征8a氧空位产生的超氧O2-物种是唯一的表面活性氧位点，可对积碳的消除起关键作用，且等离子体处理可促进超氧物种的形成。综上所述，DBD等离子体处理可以提高金属Ni活性表面积和表面活性超氧O2-物种的量，从而有效提高了催化剂的反应性能和抗积碳性能。
第二部分：将不同含量的NiO负载在Y2Ti2O7烧绿石载体上，通过XRD外推法计算得到NiO在Y2Ti2O7烧绿石载体上的单层分散阈值为1.20mmolNiO/100m2Y2Ti2O7，换算成质量分数对应于0.025gNiO/gY2Ti2O7，XPS外推结果与其相近。根据甲烷干气重整反应结果可知，随着NiO含量的增加，催化剂的积碳量也呈明显上升的趋势。NiO含量处于单层分散阈值附近的2%NiO/Y2Ti2O7和3%NiO/Y2Ti2O7催化剂具有与其它高Ni含量催化剂相近的活性，并且表现出最佳的抗积碳性能。H2-TPR和XPS结果证实了处于单层和亚单层状态的NiO与Y2Ti2O7载体相互作用较强，这是由于单层分散阈值以下的Ni2+同时与Y2Ti2O7载体上的Y和Ti产生了相互作用，因此其还原出来的Ni分散度及活性比表面积更高。其中接近单层分散阈值的2%NiO/Y2Ti2O7和3%NiO/Y2Ti2O7催化剂具有更多的表面活泼超氧O2-物种，并且对反应物分子CO2吸附能力也最强，这也是其具有良好的抗积碳性能主要原因之一。总而言之，金属与载体的相互作用影响着表面的氧以及还原后Ni的性质，从而影响催化剂的性能。
第三部分：采用胶晶模板法(选用PMMA为硬模板，同时引入F127软模板)成功合成了具有介孔孔壁的三维有序大孔3DOM-Y2Zr2O7烧绿石载体。N2吸脱附以及SEM表明其具有丰富的孔道结构、较大的比表面积以及较规整的大孔结构。负载Ni后用于CO2甲烷化以及甲烷干气重整反应，三个催化剂的反应性能均遵循以下顺序：Ni/Y2Zr2O7-3DOM700＞Ni/Y2Zr2O7-3DOM800＞Ni/Y2Zr2O7-CP800。H2-TPR、TEM、H2吸脱附结果证实，与传统共沉淀法制备的Ni/Y2Zr2O7-CP800催化剂相比，Ni/Y2Zr2O7-3DOM700以及Ni/Y2Zr2O7-3DOM800催化剂具有更强的金属与载体相互作用，从而导致其还原出来的Ni具有更小的晶粒以及更高的分散度。CO2-TPD、XPS及O2-TPD结果表明Ni/Y2Zr2O7-3DOM700及Ni/Y2Zr2O7-3DOM800催化剂表面具有更多的表面氧空位，从而其具有更佳的CO2吸附能力。InsituDRIFT结果证实，在本章中性能最好的Ni/Y2Zr2O7-3DOM700催化剂上，CO物种为重要的CO2甲烷化中间产物。