本论文针对不同催化反应体系的特点，在纳米尺度范围内设计催化剂的微观形貌与结构，采用溶剂热合成、离子交换、自组装、气固相反应、阳极氧化、离子嫁接吸附和直接热分解等方法成功合成出了二氧化铈多孔纳米片和一系列阵列基结构化催化剂，并详细考察了它们对不同反应的催化性能，深入研究了纳米催化剂的合成机理、物化性质及多层次结构，以及催化剂的结构与催化性能之间的关系。主要研究结果总结如下：1.以生物小分子L半胱氨酸作为硫源和生物导向分子，结合离子交换过程中的柯肯达尔效应和有机杂化物的热分解作用，成功地合成出了纳米片构筑的、具有大比表面积和等级孔结构的CeO2微米球，并考察了其负载活性组分CuO后对CO优先氧化(PROX)的催化性能。结果表明：在300oC焙烧后CeO2微米球的比表面积高达207m2/g；与传统的柠檬酸络合法制备的CeO2颗粒对比，CeO2微米球上CuO的分散度得到了明显的提高，从而有效改善了催化剂对CO的PROX反应的催化性能。2.以乙二胺杂化的铈基纳米棒为前驱体，利用自组装技术首次报道生成了独立分散的CeO2多孔超薄纳米片，并考察其光催化降解罗丹明B的性能。实验结果发现，合成出的CeO2多孔纳米片具有规整的六边形结构，边长可以达到微米级，而厚度仅有2.4纳米。与传统的柠檬酸络合法得到的CeO2颗粒对比，多孔超薄的纳米片结构可以显著提高CeO2光催化降解罗丹明B的活性。3.在溶剂热条件下将氧化石墨烯打碎成碎片，然后将其负载到TiO2纳米管阵列的内部，详细考察其光解水制氢的催化活性。石墨烯量子点可以提高光生电荷的分离与传递，从而改善TiO2纳米管光解水产氢的活性。此外，石墨烯大片的滤光作用也得到了有效的克服。4.采用简单的气固相反应，在铜片表面得到均匀分散的CuO纳米棒阵列，并首次采用纳米棒阵列基结构作为催化剂催化soot颗粒燃烧。结果表明，纳米棒之间的畅通孔道可以大幅提高催化剂与soot颗粒之间的接触机会，明显改善催化剂在自沉降模式下对soot颗粒的催化燃烧活性。5.采用光辅助循环磁性吸附的方法，以阳极氧化法得到的二氧化钛纳米管阵列作为载体成功合成出负载有Fe2O3纳米粒子的Fe2O3/TiO2纳米管催化剂，并详细研究了其催化soot颗粒燃烧的性能。研究结果表明，光辅助循环磁性吸附法可以实现对活性组分Fe2O3纳米粒子尺寸与含量的有效调控，此外，首次发现纳米管阵列催化剂催化soot颗粒燃烧过程中的限域效应，通过一系列的表征与热力学分析，提出了以纳米管内连续碰撞为基础的限域催化燃烧机制，很好地解释了纳米管阵列基结构化催化剂催化soot颗粒燃烧过程中的活性增强效应。6.通过气固相反应在铁箔基底上生成一层Fe2O3纳米片阵列，然后将其置于硝酸盐溶液中，浸泡一段时间后取出来直接焙烧处理，得到一系列金属氧化物交叉纳米片，这种方法也可以拓展到组分可调的复合金属氧化物交叉纳米片的合成。在高温热分解的过程中纳米片上出现了新的介孔与片交叉形成的大孔一起构筑了新颖的等级孔结构材料。远程模板法得到的交叉纳米片金属氧化物在催化soot消除方面展现出了优异的性能。