甲烷转化分为间接转化和直接转化两种。间接转化是先将甲烷转化成合成气,再通过费托合成等进一步加工生成基础含氧化合物;甲烷直接转化制含氧化合物工艺更简单,但实验难度更大。如何在甲烷间接转化中提高抗积碳能力,或是提高甲烷直接转化的转化率,是目前研究的难点。甲烷化学链部分氧化（CLPO）制合成气利用氧载体中的晶格氧代替气相氧,可直接生成氢碳比为2的合成气,其关键在于氧载体。钙钛矿型氧化物拥有可调变的结构和氧化还原性能,是优异的氧载体备选材料。本论文分别研究了A位阳离子Sr取代对La Fe_0.8Al_0.2O_3-δ钙钛矿和B位Sn掺杂对Ba Fe O_3-δ钙钛矿氧载体的微观结构和CLPO制合成气性能的影响,随后,受自然界中活化甲烷的甲烷单加氧酶的启发,为甲烷直接转化制甲醇体系筛选合适的催化剂,推导反应历程。具体工作如下:ⅰ)制备了一系列钙钛矿和0.5)型氧载体,应用在甲烷化学链部分氧化中,发现Sr的掺杂可使氧载体的载氧量从1 mmol/g（x=0.1）提高到2.7 mmol/g（x=0.5）,而CO选择性维持在94%以上。表征结果表明,掺杂Sr后的氧载体在CH₄气氛中,Fe⁰表面会形成La_nSr Fe_n-xAl_xO_3n+1（n=1和2）的氧化物,该氧化物可以将O快速传递到Fe⁰,抑制CH₄在Fe⁰上裂解积碳。结合理论计算,发现引入Sr可以降低氧载体中氧空位的形成能,有利于提高晶格氧的移动速率,从而提高氧载体抗积碳性能。在研究钙钛矿B位调变时,考察了Ba Fe_1-xSn_xO_3-δ氧载体在化学链部分氧化中的反应性能,发现Sn的引入使氧载体的载氧量从2.6 mmol/g（x=0）提高到约6.5 mmol/g（x≥0.6）,合成气的选择性从95%（x=0）提高到99%（x≥0.6）,合成气产率从6.7 mmol/g（x=0）提高到19.2 mmol/g（x=0.6）。表征结果证实Sn掺杂有助于将还原态Fe⁰转化为Fe Sn合金,从而阻止了CH₄在Fe⁰上的裂解和积碳,提高氧载体抗积碳性能。ⅱ)采用饱和浸渍法制备了一系列金属负载型的碳基催化剂。经实验筛选,发现以H₂O₂为氧化剂时,单原子分散的Cu-NC-SAC催化剂可在室温条件下将甲烷直接氧化生成甲醇等含氧化合物,产量可达到43.7 mmol·g_Cu^-1·h^-1,转化频率（TOF）为2.77 h^-1。结合相关表征,发现Cu-CN-SAC催化剂能高效使H₂O₂分解为^·OH自由基,协同^·OH自由基活化CH₄,生成的^·CH₃自由基与O₂和^·OH快速反应生成CH₃OOH和CH₃OH。