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化石能源驱动的机械交通是世界范围内环境污染问题的主要成因之一，造成严重的空气污染。汽车排放的主要污染物有CO、碳氢化合物(HC)以及NOx。其中，CO是对人类和动植物毒性最大的气体。城市空气污染源中的CO主要来自于汽车尾气的排放，CO的排放超过了空气污染物的一半以上。催化氧化法是治理CO主要方法之一，该方法具有运行温度低，脱除效率高等优点。CO氧化催化剂主要由铂铑钯等贵金属元素组成，但价格昂贵、水热稳定性差并且易中毒。所以，开发成本低廉、催化活性高、热稳定性高且抗毒性高的催化材料具有十分重要的意义。因此，非贵金属氧化物催化剂成为人们研究的焦点。但是，非贵金属氧化物催化剂用于低温CO催化氧化仍然未实现商业化应用，主要挑战在于催化剂的活性和稳定性无法达到工业要求。其中，关于催化剂构-效关系以及活性位结构的研究一直是低温CO氧化反应技术开发的热点及难点。此外，CO氧化可作为模型反应体系，研究催化剂的结构性质、CO和O2活化机制，对于催化氧化反应具有重要的研究价值。 CeO2复合的Mn基和Cu基催化剂因其优异的氧化还原能力和低温CO氧化活性受到广泛关注，有望替代贵金属催化剂。本文研究了CeO2复合的非贵金属氧化物催化剂低温CO氧化的构-效关系，重点关注反应过程中活性位的动态结构变化，以实现高效催化剂的理性设计。同时以CO活化、O2活化两步基元反应步骤为切入点，合成高活性的复合型非贵金属氧化物，制备了MnOx-CeO2、CuO-CeO2、Cu-In-Ce三种催化剂。通过多种原位表征技术，解析催化剂的动态几何和电子结构，提出相应的反应机理。主要研究结果如下: 1.采用氧化-还原共沉淀法制备不同Mn∶Ce摩尔比的MnOx-CeO2复合型氧化催化剂，并考察了其CO氧化反应催化活性。其中，Mn1Ce1催化剂显示最高活性(T10=70℃，T100=190℃)，归因于MnOx和CeO2间较强的相互作用。Mn1Ce1催化剂由CeO2、无定型MnOx和MnOx-CeO2固溶体三相组成。CeO2可以存储氧，为催化剂表面提供晶格氧，同时也是该类催化剂表面活性物种。通过反应动力学、程序升温技术和原位红外光谱技术等表征，证明了反应遵循Mars-van Krevelen机理。在100-130℃范围内，反应遵循直接反应和甲酸盐中间体两个平行路径;而当温度高于130℃时，反应遵循碳酸盐途径。 2.采用浸渍法、共沉淀法和机械混合法制备了三种具有不同结构的CuO-CeO2催化剂，浸渍法制备的5Cu/CeO2(IM)催化剂活性最高。研究揭示5Cu/CeO2(IM)催化剂表面具有最多的高度分散的铜物种(Cu+)，可提供更多的CO吸附位点，有利于CO的活化。其次，5Cu/CeO2(IM)催化剂界面存在Cu+Cu2+和Ce3+/Ce4+氧化-还原对，显著增强了催化剂的还原能力，并促进催化剂表面氧空穴的产生及O2的活化，加速催化剂晶格氧向表面的迁移，提高了CO氧化反应速率。研究证明用还原处理法能够在表面产生更多的金属和载体界面，催化剂活性最高。随着反应的进行，Cu颗粒经历重构，部分Cu-[Ox]-Ce晶格中的Cu原子迁移至催化剂表面及颗粒界面处，同时产生更多暴露的配位不饱和的Cu物种。 3.添加In助剂对催化剂界面结构有很强影响，可提高CO氧化活性。1.25In5Cu/CeO2催化剂具有最高的催化活性(T100=100℃，1.26×10-5molCO·gcat-1·s-1)，同时催化剂稳定性及对CO2和H2O的抗性大幅提高。In-Cu相互作用可以显著改变表面Cu原子的几何结构，削弱CO的吸附，提高反应速率;同时阻止表面含碳物种的积累，提高催化剂的稳定性及对CO2的抗性。此外，In通过向Cu转移电子改变其电子结构，稳定还原Cu物种。将In掺入到载体中时，5Cu/Ce8In2Ox催化剂具有最高的催化活性(T100=116℃)。活性提高的原因是由于In掺入进CeO2载体中形成固溶体结构，在催化剂表面制造大量活性氧物种，能够促进O2的活化;同时In促进了Cu-Ce之间的氧化还原循环，进而提高催化剂的还原能力，增强金属和载体之间的相互作用。