二氧化铈作为催化剂和催化剂载体,广泛应用于可再生能源生产、环境污染治理以及精细化学品合成等领域。二氧化铈优异的催化性能归因于其独特的氧化还原性和适宜的酸碱性,而这些性质通常与其结构中氧空位的性质密切相关。本论文通过形貌选择合成、控制还原和金属离子掺杂等方法实现了二氧化铈中氧空位性质的调变,并探索了缺陷二氧化铈作为一种多功能催化剂在氧化缩合反应以及Prins缩合-水解等串联反应中的应用,系统地研究了氧空位浓度变化对催化剂氧化还原性以及酸碱性的影响,建立了氧空位浓度变化与催化性能之间的关系。主要研究结果如下:通过形貌控制,制备出了棒状、立方体和八面体三种不同形貌的CeO₂催化剂。Raman光谱显示,这三种形貌的CeO₂上的氧空位浓度不同,其中棒状CeO₂催化剂上氧空位浓度最高。制备出的二氧化铈能催化串联反应苯甲醇与苯胺串联氧化缩合制备亚胺类化合物（N-苯亚甲基苯胺）。该反应首先需要将苯甲醇氧化为苯甲醛,继而与苯胺发生缩合生成产物。反应过程中,催化剂的氧空位浓度和氧化还原性至关重要。二氧化铈作为一种氧化-碱催化双功能催化剂,能有效催化苯甲醇与苯乙酮氧化-Aldol缩合制备α,β-不饱和酮（查尔酮）。通过原位屏蔽和动力学实验,确证该串联反应中苯甲醇的氧化发生在CeO₂的氧化还原位点上,而苯甲醛与苯乙酮之间的Aldol缩合反应发生在CeO₂的碱位点上,其中碱位点上发生的Aldol缩合是反应的决速步。通过Raman光谱和CO₂-TPD表征发现,棒状CeO₂催化剂上氧空位浓度和碱位点浓度最高,在苯甲醇与苯乙酮的氧化-Aldol缩合反应中表现出最佳的催化活性。二氧化铈还可作为一种氧空位诱导的耐水Lewis酸催化剂,催化异丁烯与HCHO水溶液间的Prins缩合-水解反应。通过形貌选择合成和控制还原温度,对二氧化铈氧空位浓度进行调变。通过Raman光谱、NH3-TPD、31P-NMR和吡啶红外等表征对催化剂氧空位浓度和酸性质进行表征,发现二氧化铈氧空位诱导的酸位点主要为弱的Lewis酸,且二氧化铈中氧空位浓度越高,催化剂的Lewis酸位点浓度越高,Prins缩合-水解反应活性越高。通过Al、Zr、Eu、Pr和La等金属离子的掺杂,实现了对CeO₂氧空位浓度的调变。HAADF-TEM、吡啶吸附红外、Raman光谱表征表明,Pr的掺杂产生了更多的氧空位,使得催化剂Lewis酸浓度增加。Pr高度分散的掺杂CeO₂能高效催化异丁烯与HCHO水溶液之间的Prins缩合-水解反应。应用DFT对Prins缩合-水解反应过程中两种底物分子的吸附进行计算,确证HCHO的吸附活化是该反应的关键步骤,Pr的掺杂增强了 HCHO在催化剂表面Ce-O位上的吸附活化。