我国CO₂和CH₄排量世界第一,它们既是资源又是导致温室效应的主要气体。促进其资源化利用,对解决环境问题、能源问题和化工原料问题,实现国家能源安全和社会经济可持续发展具有重大意义。近十几年来,世界各国的研究者对甲烷二氧化碳重整反应进行了大量研究,取得了一定的进展,但基本上都局限在实验室研究阶段。高活性的廉价催化剂研制是重整反应实现应用价值和产业化的重要前提。近年来,炭材料作为CH₄-CO₂重整创新型廉价催化剂引起广泛关注。本文以活性炭为炭材料催化剂本体进行改性,借助现代仪器分析了各种改性手段对活性炭结构和官能团的影响,并初步探讨了改性后活性炭对CH₄-CO₂重整反应的机理,得到的主要结论如下:1、不同改性剂改性后,活性炭呈现出不同的表面酸碱性和反应活性,氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硝酸、高锰酸钾溶剂改性后,活性炭表面呈碱性,有利于对二氧化碳的吸附和活化,从而呈现出更高的催化活性;相反,经过盐酸、磷酸、过氧乙酸和次氯酸钠改性后活性炭表面呈酸性,不利于二氧化碳的吸附和活化,表现出较低的催化活性。2、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硝酸和高锰酸钾五种改性剂中,高锰酸钾和硝酸改性效果最佳。在反应温度为800℃时,经高锰酸钾改性的活性炭使甲烷转化率提高了7.45%,二氧化碳转化率提高了20.28%,一氧化碳产率提高了20.46%,氢气产率提高了1.39%;经硝酸改性后活性炭使甲烷转化率提高了10.84%,二氧化碳转化率提高了16.14%,一氧化碳产率提高了28.33%,氢气产率提高了5.23%。3、硝酸改性活性炭的最佳条件为:硝酸浓度为wt.8%,焙烧温度为800℃,焙烧时间为80min。经硝酸改性后,活性炭表面趋于石墨化,c-o、o-h、烷基c-h等官能团含量降低,但活性炭表面产生了离子型oh-,吡啶类、吡咯类和氨基等含氮官能团;催化重整反应后活性炭表面石墨化程度进一步加重,离子型oh-与各种含氮官能团含量降低。4、高锰酸钾改性活性炭的最佳制备条件为:高锰酸钾浓度0.06mol/l,ph值≥7。经高锰酸钾改性后,活性炭表面呈蜂窝状,表面产生离子型oh-和锰氧化物等碱性活性物质,经两者协同作用,提高了改性后活性炭的催化活性;催化重整反应后活性炭表面离子型oh-和活性锰氧化物含量降低,活性变小。5、根据表征结果,探讨了活性炭改性后表面产生的吡啶类、吡咯类和烷基氨碱性含氮官能团对甲烷和二氧化碳分子的活化机理。吡啶、吡咯和烷基氨中氮原子具有孤电子对,所以易与甲烷中氢原子发生亲电反应使之活化,同时由于氮原子电负性强,使得与之相连的碳原子电子云密度降低,所以容易与二氧化碳中的氧原子发生亲核反应,使二氧化碳被活化;同时氨基本身具有碱性,更有利于二氧化碳的吸附和活化。6、初步探讨了改性后活性炭表面产生的离子型oh-和羰基对甲烷和二氧化碳分子活性反应路径。一方面离子型oh-具有较强电负性,易与甲烷分子中氢原子反应使之活化;另一方面离子型oh-具有强极性,对二氧化碳也具有较强的吸附性,使之活化;另外,由于二氧化碳是一种酸性气体,易与碱性的离子型OH-发生化学作用,使二氧化碳活化,反应生成能量较高的过渡态中间体;而且,羰基和离子型OH-都可以提供活性氧原子,从而促进甲烷的活化,加快反应速率。7、根据上述表面官能团对甲烷二氧化碳分子活化的探讨,初步提出了两种改性活性炭催化重整甲烷二氧化碳反应机理。