随着地球上甲烷已探明储量的不断增加,甲烷作为碳基资源的高效转化利用变得日益重要和迫切。甲烷选择氧化反应可直接生成甲醛、甲醇和CO等重要C1平台分子,是甲烷高效转化利用的有效途径之一。不过,由于传统金属氧化物催化剂（例如钼基和钒基催化剂）具有高活性晶格氧,其导致甲烷在氧化反应中易发生深度氧化,使得完全氧化产物CO2的选择性难于控制。因此,开发具有温和甲烷氧化能力的多相催化剂是提高甲烷氧化反应选择性的关键。近年来,二维氮化硼材料被发现其活性位具有温和的氧化反应催化能力,并已在低碳烷烃氧化脱氢反应被广泛验证。与传统的金属氧化物相比,非金属氮化硼催化剂在低碳烷烃氧化脱氢反应中表现出极高的烯烃选择性和极低的COx选择性。这一特点暗示氮化硼催化剂在甲烷选择氧化反应中也会具有优异的性能,而目前文献中尚鲜有相关研究报道。基于以上考虑,本课题以系统考察氮化硼催化剂在甲烷选择氧化反应中的催化性能及催化剂结构-活性关联为研究目标,以下三个部分开展研究,以期突破甲烷选择氧化反应中甲醛收率的瓶颈并深入认识该类非金属催化剂上的活性中心和烷烃活化反应机理。第一部分研究工作系统考察了氮化硼催化剂在甲烷选择性氧化的催化性能及催化剂预处理条件、反应温度、空速等因素对反应转化率和选择性的影响。在甲烷转化率为近5%时,氮化硼催化剂上产物甲醛的选择性可达41%,而CO2的选择性低于4%,证实氮化硼催化剂具有较好的抑制甲烷深度氧化的能力。不过,氮化硼催化剂由于有大量缺陷位的存在导致其在甲烷选择性氧化反应中会发生失活。针对这一问题,NiOx被用于填充氮化硼的缺陷位并有效提高了氮化硼催化剂在甲烷选择性氧化反应中的稳定性。第二部分研究工作通过X射线衍射和红外光谱等表征手段初步推断在氮化硼催化剂生成的氧化硼物种是甲烷选择性氧化反应的活性中心,而催化反应动力学和18O同位素实验进一步揭示氧气和甲烷分子在氧化硼活性位上需要发生协同活化来解离氧气分子和断裂甲烷的C-H键。第三部分研究工作尝试在氮化硼催化剂表面添加碱性助剂来提高催化性能。实验结果表明,相比于其他碱性氧化物,MgO具有较好的促进效果。添加1 wt.%MgO可使甲烷的氧化速率提升近80%,且氧化反应的选择性没有受到显著影响。催化反应动力学和18O同位素实验的结果暗示,MgO协助氧化硼活性位来断裂甲烷的C-H键,从而降低甲烷活化的能垒。