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CO氧化反应和水煤气变换反应在消除CO、纯化H2等方面具有极大的应用价值。但苛刻的反应条件如高温、潮湿等环境极易导致催化剂烧结失活,因此高稳定性与高活性并存是制备催化剂的首要目标。同时,在催化剂的使用中都期望有限的体积可以带来更高的催化效率,但高含量往往会带来物种的团聚和复杂性。上述方面都对如何制备更加高效实用的催化剂提出了极大挑战。以稀土氧化物CeO2为载体、以廉价过渡金属Cu为活性物种的负载型催化剂是CO氧化和水煤气变换反应的典型应用材料。然而,由于缺乏合理的制备手段和有效的表征方法,导致目前高活性、高稳定性、高含量、高分散的CuO-CeO2催化剂较难实现,且对相关催化剂的反应机理认识不清。因此,本论文利用特定形貌的CeO2为载体,通过调控催化剂煅烧温度、金属的负载量,以获得高性能催化剂。结合原位和非原位表征手段,分析催化剂的物相构成和局部配位环境,追踪催化剂结构变化过程,揭示催化剂的反应机理,阐明金属与载体间的相互活化效应,为更好地理解催化行为和指导高效催化剂的制备提供了借鉴。本论文主要完成的工作如下:（1）在烧结的氧化铜-二氧化铈（CuO-CeO2）催化剂体系中构筑高效活性位点在多相催化中,反应物分子在固体表面上的吸附活化一直是制约高性能固体催化剂制备的主要因素,解决这一问题的关键是构筑配位不饱和的活性位点。此外,现有的催化剂的活性位点在反应过程中易烧结失活。催化剂的烧结一方面会带来比表面积的降低、活性位点的损失等问题;另一方面,烧结也会引起载体的表面重构,改变某些原子的配位结构,或许可以活化原本惰性的配位饱和原子。因此,催化剂烧结是潜在的构造新的活性位点的方法之一,尽管实现难度很大。在本工作中,通过800℃的空气煅烧,意外地在部分烧结的催化剂中构造了稳定存在的配位不饱和且原子分散的铜物种（Cu103）。该活性位点表现出非常高的CO氧化活性,在120℃下的CO消耗率为6100 μmolCO·gCu-1·s-1,是其他文献报道的铜基催化剂的20倍以上。同时,在苛刻的循环反应条件下,该催化剂也具有优异的长期稳定性。通过比较全面的结构表征和机理研究,揭示了 CeO2表面的不饱和配位的Cu103位点是唯一的活性位点,并且具有全新的催化机理即CO和O2分子均在同一配位不饱和的Cu1O3上被激活,从而在极低铜负载量（1 wt%）时诱导了优异的CO氧化活性。（2）在烧结的氧化铜-二氧化铈（CuO-CeO2）催化剂体系中实现氧空位的原位产生水煤气变换反应（WGS）是制氢及氢气纯化的重要工业反应,对能源供应至关重要。从反应物分子出发,CO在活性金属上的吸附和H2O在空位上的解离是反应两个重要方面。对于高温800℃煅烧产生的Cu单原子催化剂来说,CO的吸附活化十分有效,是水汽反应的高效进行是一个有力保障。但是该催化剂存在比表面积和氧空位显著下降缺点,不利于水汽反应的进行。而CO在金属上的吸附与H2O在催化剂表面的解离是一个协同过程。因此,为了阐明极强的CO吸附能力与匮乏的氧空位共存的催化剂在水汽反应中的动态变化,在本文中,将较低含量（2 wt%）的铜负载于CeO2-NR上并经高温800℃煅烧的催化剂比较低温煅烧时有着更加优异的催化性能。借助原位表征手段发现,该氧空位匮乏的催化剂在反应过程中,可以原位产生大量的空位,以保证H2O分子的解离。H2O的有效解离确保了与吸附在Cu原子上的CO的反应,共同促进了该催化剂在反应中的高效性。通过进一步的研究表明,氧空位在CO存在下原位生成是因为负载在载体上的铜物种以及高温处理对载体产生的活化所致。该发现对于水汽反应的机理研究提供了新的思路,有利于指导更加高效的催化剂的制备。（3）在高含量的氧化铜-二氧化铈（CuO-CeO2）催化剂体系中实现高分散活性位点在负载型催化剂中,当金属原子的尺寸不断缩小为纳米级甚至原子分散时,通常会表现出极高的催化效率。然而,由于高分散金属原子的流动性太强易烧结成大颗粒,导致其负载量一般极低,不能满足实际的催化反应中对于高时空收率的需求。水煤气变换反应（WGS）是一种非常重要的工业反应,但是现有的催化剂普遍存在整体活性差、活性位点指认不清等问题。为了解决上述问题,我们成功构建了一种高负载量和高分散的氧化铜-二氧化铈催化剂（铜的含量高达20 wt%）,显示出极佳的WGS反应催化性能。通过选取具有高表面积的CeO2为载体,我们实现了 20 wt%的Cu的高度分散,该催化剂在300℃时的CO消耗率为116.7 μmolCO·gcat-1·s-1,比现有文献报道的铜基催化剂高出至少一个数量级。同时它在反应中几乎未见失活现象。因此,在这个催化剂中高含量,高分散性,高活性和高稳定性实现了前所未有的共存。尽管WGS反应具有极强的还原性气氛,借助全面的原位表征手段,我们依然证明氧化态而非金属态的Cu物种是反应的活性位点。此外,实验结果和理论计算都表明铜在CeO2表面的沉积活化了 CeO2,并促进晶格氧在反应过程中大量扩散至表面,确保了活性位点保持正价态,而这种关键的活性金属对载体的活化作用在以往研究中往往被忽略。