天然气是一种高效、清洁、廉价的清洁能源,天然气资源的开发和有效利用代表着当代能源结构的发展方向,也是可持续发展的保证和能源绿色化的重要途径。考虑到天然气主要成分CH₄具有极高热力学稳定性,对甲烷C-H键的低温活化一直以来是化学领域的圣杯。开发高效催化剂进行甲烷低温化学转化具有重要意义。贵金属基催化剂虽具有出色的C-H键活化能力,但也受到其高成本、储量少等因素的限制。本文旨在通过对非贵金属催化剂的缺陷构建,实现非贵金属高效催化甲烷氧化。所涉及的主要为MnO_x基与Co₃O₄基材料,通过详尽的表征阐释了催化剂结构和性能的关系。采用球磨和选择性原子去除相结合的方法由LaMnO₃制备了高缺陷的γ-MnO₂。研究发现,球磨处理可以降低催化剂的颗粒尺寸并产生表面缺陷,而晶格缺陷则源于La原子的去除。La原子的缺失产生了一系列的有益影响:更高比表面积和Mn⁴⁺/Mn³⁺比例、更多的表面活性氧以及更高的低温氧化还原性能。该催化剂在WHSV为33,000 mL g^-11 h^-1的条件下表现出出色的甲烷催化燃烧性能,T₅₀为398 ^oC,T₉₀为465 ^oC,优于此前报道过的在甲烷催化氧化中具有最佳活性的α-MnO₂。合成了不同晶面暴露的Co₃O₄催化剂,筛选其中对甲烷催化燃烧具有最佳活性的样品,并对其进行氮气等离子体处理。研究发现,对于不同暴露晶面的样品,其催化活性顺序为:Co₃O₄-1113O₄-1003O₄-110,（110）晶面的优势使得催化剂具有最高的缺陷含量以及表面氧物种,在WHSV=33,000 mL g^-11 h^-1的空速下T₅₀为363 ^oC,T₉₀为413 ^oC;与Co₃O₄-110相比,氮气等离子体处理后的样品拥有更多的氧空位含量和表面结构的无序度,其比表面积被进一步扩大并生成了更多的微孔结构。N掺杂能有效活化Co₃O₄的表面的氧原子,降低了甲烷中C-H键的活化能垒。N-Co₃O₄-110在WHSV=33,000 mL g^-11 h^-1的空速下T₅₀为302 ^oC,相比于Co₃O₄有63^oC的显著降低。同时,N掺杂的样品展现出良好的水热稳定性,在525 ^oC,5 vol.%水汽存在下运行10 h,转化率仅降低3%。N-Co₃O₄-110是目前活性最高的非贵金属催化剂之一,具有良好的应用潜力。制备了六边形的Co₃O₄纳米片,并使用Na对Co₃O₄纳米片进行了还原处理。结果表明,Na处理显著提升了Co₃O₄纳米片的氧空位含量,使其获得了更高的低温氧化还原能力。研磨过程使催化剂的获得了更丰富的中孔分布,提升了其比表面积和孔体积。在WHSV=33,000 m L g^-11 h^-1的空速下,与Co₃O₄-NSs相比,Co₃O₄-NSs-Na的T₅₀降低了46 ^oC,性能显著提升。