氧化铈 在催化体系中的应用广泛，无论是单独作为催化剂，还是作为载体、助剂，主要是由于具有储存和释放氧的性质，而该性质主要是由于CeO2 的晶格氧缺陷决定的。CeO2的立方萤石结构可以看作是由大量氧离子形成四方晶格，而每隔一个立方体，都有一个阳离子占据下一个立方体的中心。一些阴离子可能会从四面体的位置自行转移到八面体上的位置上来，在四面体上留下空缺，这就形成了弗兰克尔型缺陷。弗兰克尔型缺陷使二氧化铈晶体中存在大量游离的氧，成为重要的贮氧/供氧材料。又由于CeO2 的Ce3+和Ce4+离子对之间易于进行转换，使其具有独特的氧化还原性能。此外，在重整和低温裂解等反应中添加CeO2还能抑制粒子的烧结性，从而增加反应的稳定性。
在汽车尾气净化催化上的应用：汽车尾气净化三效催化剂是以贵金属为主的三效（CO转换成CO2、CH 转换为CO2、H2O 和NOx 转换成N2 和O2 的效率）催化剂，其中，氧化铈作为助催化剂起两个主要作用[4]：一是储氧，在氧气缺乏时转化为CeO，当氧过剩时又转化为CeO2；二是控制催化剂中的金属微粒。随着汽车产量的猛增，汽车尾气严重污染了大气环境，治理和控制汽车尾气的排放已成为全球环境保护急待解决的重大课题。而氧化铈在汽车尾气净化催化上研究也是当今氧化铈作为催化剂研究的热点。
在细胞色素c 促进剂上的应用：细胞色素c 分子不能在裸金电极上进行快速的电子传递反应，但是在经过氧化铈纳米晶粒修饰的金电极上却可以进行。当氧化铈粒子吸附在金电极表面上时，将在电极表面形成许多电化学活性点，从而构成了电极与细胞色素c 之间的电子传递反应通道[5]。
对吸收药热分解反应的催化作用：硝胺推进剂满足高能少烟的要求，吸收药（硝化棉吸收硝化甘油的混合物，NC/NG）对其热分解反应的研究具有重要的意义。实验证明，纳米CeO2 的加入可能改变了吸收药的热分解反应历程，能有效催化吸收药的热分解，因而能潜在提高推进剂的燃速[6]。
在光催化中的应用：TiO2 以其无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好而被用作光催化的半导体催化剂[7~9]。但也有其自身的局限性[10~11]。铈极易吸收光子从三价变为四价，而四价铈离子在光激发下不仅能有效抑制电子-空穴对的简单复合，改善光催化效率，还可能使TiO2 的光吸收波长红移至可见光区，增加对太阳能的有效利用[12]。
在固体氧化物燃料电池中的应用：固体氧化物燃料电池（SOFC）被认为是最具发展前途的燃料电池。与传统的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）电解质相比，掺杂氧化铈的铈基电解质表现出许多优点：掺杂氧化铈的离子电导率更高；可选择的阴极种类多；在使用碳氢化合物燃料上也具有优越性，并且适合发展复合电解质及复合阴极[13]。随着掺杂CeO2（DCO）电解质材料的采用，SOFC 的阳极也相应地采用Ni-DCO 复合材料，以减少SOFC 在制造和使用过程中阳极和电解质层之间的反应，并匹配阳极和电解质层间的热膨胀系数。
在CH4、CO2 重整反应中的应用：在天然气加工工业中CH4 的部分氧化重整制合成气的研究中，Stagg Williams 等[14]认为，添加氧化铈可以显著提高Pt/ZrO2 催化剂在CH4、CO2重整反应中的稳定性。
在甲醇低温裂解催化反应中的应用：甲醇作为一种“绿色燃料”具有极大的应用价值，可以在低温下裂解为CO 和H2，具有比直接燃烧更大的热值，有研究[15-16]表明CeO2 改性的Pd/γ-Al2O3 具有较高的甲醇低温裂解活性和很高的CO，H2 的选择性，且具有较好的耐热性能和较高的低温活性。
此外，二氧化铈在在水处理催化净化，催化氢化，促进钒钝化以及延长细菌视紫红质薄膜M 态寿命[17]等方面均有较好的催化作用。
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