天然气（主要成分为甲烷）是世界上储量最丰富的清洁能源之一，如何将甲烷直接转化为甲醇等含氧有机物一直是研究的热点。工业上现有的合成气间接法，由于工艺路线复杂，反应需要高温高压的条件而饱受非议。N2O作为一种温和的氧化剂，可以在铁基分子筛的催化下实现CH4较低温度下的活化，减少甲烷的深度氧化，受到了广泛关注。本文主要研究了N2O氧化CH4反应中不同制备条件对FeZSM-5催化剂影响以及新型FeSAPO催化剂的应用，构建了制备条件、铁物种组成、分子筛性质和催化反应性能之间的关系，同时对活性位点和反应机理有了深入认识。本文的主要研究内容如下:
　　首先系统考察了焙烧温度的改变对FeZSM-5中铁物种组成、分子筛性质和反应性能的影响。结果显示，随着焙烧温度的升高，催化剂中六配位Fe3+在惰性气氛下逐步发生自还原反应生成二价的活性中心α-位，同时伴随着大颗粒α-Fe2O3的产生与骨架铝（Br(o)nsted酸）的减少。当催化剂焙烧温度为900℃时，α-位含量最多，Br(o)nsted酸数量最少，催化剂的含氧有机物选择性(13.3％)和收率(0.12％)均最高。Br(o)nsted酸和α-位的存在均有利于提高CH4的转化率，较多的α-位和较少的Br(o)nsted酸则有利于提高含氧有机物选择性。大颗粒的α-Fe2O3虽会引起甲烷的深度反应，但对转化率和选择性的影响较小。随着反应的进行，催化剂逐渐失活，这主要是由反应中含氧有机物的深度反应生成积碳造成的。
　　在获得了较佳焙烧温度的基础上，本文通过改善铁的分散性来提高α-位的含量，同时考察了分散性对FeZSM-5铁物种组成、分子筛性质以及反应性能的影响。通过改变浸渍后的干燥方式（新型的冷冻干燥法和传统的蒸发干燥法），得到了两种不同分散程度的催化剂。结果发现，相比蒸发干燥催化剂，冷冻干燥催化剂中铁分散得更好，大颗粒的α-Fe2O3较少，低聚态的FexOy较多。此外，冷冻干燥催化剂具有更多的α-位（比蒸发干燥催化剂多50％）和更少的深度反应中心Br(o)nsted酸，这使其具有更高的含氧有机物选择性(23.6％)。同时它的收率(0.21％)也更高，比蒸发干燥催化剂高出60％。通过铝谱固体核磁、NO吸附红外和N2O滴定等表征，发现α-位由铁与骨架铝相互作用形成，且包含Fe2+-O-Al结构。
　　由于冷冻干燥法有利于催化性能的提高和α-位的生成，且α-位是由骨架铝和铁形成的，此后采用冷冻干燥法制备了不同硅铝比的FeZSM-5催化剂，尝试通过提高骨架铝含量来增加α-位的生成。结果表明，随着铝含量的增加，分子筛中铁的分散变好，较少出现大颗粒的α-Fe2O3和孔道内低聚态的FexOy团簇，且α-位数量也逐渐增多。在铝含量最高的催化剂中，α-位含量最多(18.4％)，含氧有机物收率(0.32％)也最高;而在铝含量最低的催化剂中，α-位含量最少(2.4％)，但其选择性(29.6％)最高，收率(0.25％)中等。结合铝谱固体核磁和NH3-TPD的结果，认为其高选择性主要是由于催化剂中的酸强度相对较弱，可以大大减轻对含氧有机物的深度反应，从而提高了产物选择性。
　　受以上启发，不再局限于传统铝含量较低的硅铝盐分子筛，而是选择铝含量较高、酸性较弱的硅铝磷酸盐分子筛(SAPO-11和SAPO-34)作为新型载体，以进一步提高α-位含量以及催化性能。在SAPO分子筛负载铁并550℃空气焙烧后，铁会与骨架铝形成Fe3+-Al-Si。如果将催化剂再置于900℃惰性气体下焙烧，一部分Fe3+-Al-Si会发生自还原反应生成α-位，其含量是第六章α-位含量最高FeZSM-L催化剂的2-3倍，同时催化剂也具有优良的催化活性。不同于FeZSM-5催化剂，未经900℃活化的FeSAPO，依然有很高的选择性。用He、N2O和CH4在反应温度下分步处理催化剂，模拟真实的反应过程，结果发现Fe3+-Al-Si在300℃的反应气氛下也会发生自还原反应生成α-位，且与900℃活化的催化剂类似，在分步处理中存在Fe2+→Fe3+→Fe2+循环。值得注意的是，传统的铁基分子筛在500℃以上才会发生自还原反应生成α-位。认为P的存在可能降低了FeSAPO催化剂中α-位的生成温度。在FeSAPO-34催化剂中，含氧有机物收率可达0.37％，选择性在40％以上，这也是目前催化效果最好的催化剂。