纳米科学的日趋成熟和材料表征技术的发展使得对多相催化基础研究不再局限于高真空单晶模型的表面科学研究。纳米催化成为目前催化领域的主流。催化剂的结构-性能关系是多相催化中最重要的科学问题。影响催化剂性能的因素很多,例如尺寸,形貌,缺陷,相变等。多种因素的交叠影响使得对催化剂的结构性能关系的本质理解变得复杂。在本研究中,我们选择CuOx-CeO2体系,分别通过掺杂金属离子和控制晶体形貌等手段调变催化剂结构,利用CO氧化、甲烷燃烧等探针反应评价其催化性能,研究该催化剂体系在多相催化反应中的结构-性能关系。主要结果如下：1.金属离子掺杂的CeO2复合氧化物催化剂体系的构-效关系。通过共沉淀方法制备了Ce-Fe, Ce-Zr, Ce-Co复合氧化物。金属离子在CeO2晶格中的溶解度差别较大。CeO2-ZrO2可以无限互溶形成固溶体,Fe离子含量低于30%时可以形成CeO2固溶体,而Ce-Co很难形成固溶体,Co含量较低时Co的存在形式发生变化。金属离子的掺杂提高了CeO2的催化活性。在Ce-Fe复合氧化物体系中,CO氧化的反应速率与催化剂氧空位浓度成正比,这说明CO氧化反应遵循氧化还原机理,其中氧空位的形成是决定活性优劣的重要步骤。X射线吸收谱(XAFS)和甲基橙选择吸附实验结果表明,在Ce-Fe固溶体中,Fe3+在CeO2晶格中的取代方式和落位受到掺杂浓度影响。当Fe含量低于10%时,Fe3+直接取代Ce4+；当Fe含量增加时,Fe3+则占据间隙位。当Fe含量低于4%时,取代掺杂发生在CeO2体相,而含量增加时取代掺杂则集中于表面。结合XAFS和化学选择吸附,可以有效地判断CeO2固溶体的微观结构。在Ce-Zr固溶体中,催化活性在Ce:Zr原子比1：1左右时其化学活性最优,这与其晶格的扭曲程度有关。晶格的扭曲有利于反应中晶格氧的迁移而促进氧化活性。2. CuOx/CexFe1-xO2催化剂体系的构-效关系。以Ce-Fe固溶体为载体,采用浸渍法制备CuOx/CexFe1-xO2负载型催化剂。对于固定载体但改变Cu担载量的催化剂体系,催化剂中Cu以Cu2+形式存在。氢气程序升温还原(H2-TPR)结果表明,随着担载量的增加,CuO在载体表面的状态从高分散转变为CuO颗粒。在CO氧化反应中,与载体强相互作用的高分散CuO物种是活性中心。对于固定Cu担载量但改变载体的催化剂体系,载体中掺杂离子浓度影响了Cu在载体表面的分散状态。Fe的掺杂不利于形成Ce-O-Cu活性中心,因此活性随着Fe掺杂量的增加而降低。在Fe含量在10%至15%时活性下降明显,这与载体中Fe的掺杂方式变化有关。3.CuO/CeO2催化剂体系的载体形貌效应。用水热法分别制备了暴露(100)晶面的CeO2纳米立方体,暴露(110)和(100)晶面CeO2纳米棒和暴露(111)和(100)晶面CeO2纳米多面体,以其为载体用浸渍法担载CuO。Raman数据表明三种形貌的载体中氧空位的浓度不同,其中纳米棒浓度最高,纳米立方体和多面体相当。担载Cu之后,氧空位浓度均有不同程度的增加。载体暴露的晶面对CuO的分散程度不同,立方体最不利于CuO分散。当Cu担载量较低时,高分散CuO物种数量决定了CO氧化活性。当Cu担载量较高时,高分散的CuO物种饱和,载体氧空位的浓度决定CO氧化活性,浓度越高活性越好。4. Cu2O纳米晶催化剂的形貌效应。通过控制表面活性剂的浓度制备了暴露(100)面的Cu2O纳米立方体和暴露(111)面的Cu2O纳米八面体。在CO氧化反应过程中,Cu2O纳米晶体发生表面重构,在表面形成CuO薄膜。CuO薄膜表面结构和催化CO氧化性能受到Cu20纳米晶的控制,重构后的CuO/o-Cu2O晶体的催化活性明显好于CuO/c-Cu2O晶体。CO氧化反应在两种CuO薄膜上遵循不同的反应机理。通过控制表面再构能够使CuO/c-Cu2O的催化活性提高50%,说明可以利用表面再构来优化催化剂催化性能。5.探索合成具有特殊形貌的CeO2/Cu2O纳米复合结构。一种方法是“向内生长”的模板牺牲法：以Cu2O纳米立方体为模板,Ce4+为前驱体,通过氧化还原方法使Cu2O纳米立方体表面生成Ce(OH)x,形成Cu2O-Ce(OH)x立方核壳结构。当Ce4+浓度较大时,则形成双层核壳结构。通过焙烧可以形成Cu2O-CeO2核壳结构。另一种方法是“向外生长”的沉淀沉积法,以Ce3+为前驱体,调节pH值形成Ce(OH)x沉淀沉积在Cu2O纳米八面体表面形成Ce(OH)x/Cu2O结构,Ce(OH)x呈须状在Cu2O表面向外生长。通过控制Ce3+和OH-浓度可以控制Ce(OH)x的尺寸和数量。焙烧之后可以得到ICeO2/Cu2O结构。上述结果系统的阐述了离子掺杂和晶体形貌两种因素对CuOx/CeO2催化剂体系的催化性能影响。在该催化剂体系中,离子掺杂的CeO2固溶体晶格无序度增加,无论是作为催化剂本身或者作为载体,其催化活性都得到提高。纳米晶催化剂暴露的特定晶面,即特定晶面原子组成和结构,不仅影响其催化性能,而且影响其催化反应过程中的表面再构行为及重构表面结构和催化性能,在作为催化剂载体通过影响金属-载体间相互作用而影响被担载组分的分散度和催化性能。