多相催化是现代化学化工的润滑剂和魔术师，占到化工生产途径的80%以上。但多相催化往往存在催化活性、稳定性及选择性难以兼容的问题；尤其是选择性差往往带来后期纯化的复杂性和高成本。一般来说，多相催化过程包括反应物在催化剂表面的吸附和活化、中间体的形成及产物在表面活性位点处形成并脱附的过程。本质上来说：反应物(中间体)的吸附和活化之间以及不同反应物(中间体)的吸附之间普遍存在的限制关系(Scaling Relation)，是导致上述难题的根本原因。因此，为了实现"三者合一"的目标，亟需解决的关键基础科学问题是：克服活性中心的分子吸附限制(Scaling Relation)，即实现催化剂表面活性中心电子结构和空间构型的可控调节进而实现反应体系中所有分子在活性中心的选择性吸附，包括吸附的强弱和构型。通过固体催化剂表面性质(如酸碱度、缺陷、比表面积、形貌等)能够调控反应物的吸附性能，进而实现催化反应的活性、选择性及稳定性的优化。针对这个科学问题，候选人近五年来以二氧化铈为研究对象，采取"可控调节催化剂表面性质-构筑新活性位点-实现物种在催化剂表面竞争性吸附-理论计算"的研究策略(图1)，通过催化剂表面调控构建新的活性位点，并进一步调节活性中心的电子结构和空间结构，强化了反应物(中间体)在催化剂表面的吸附行为，最终构筑了某些重要基础化工反应的新路径，并表现出潜在的应用前景。选用CeO2作为研究对象主要基于作为稀土大国，稀土材料高附加值的利用显得尤为重要。稀土元素中Ce是地壳丰度颇高的元素，大约与Co的含量相当。因此稀土材料高附加值应用的一个关键点在于Ce的利用。主要的学术创新与学术贡献如下：

 1.调控二氧化铈表面缺陷，构筑了固态受阻路易斯酸碱对活性位点(FLPs)并活化小分子。受阻路易斯酸碱对是均相催化领域活化氢气、二氧化碳等惰性小分子的新途径。但均相FLPs的稳定性差、难以循环使用等缺点，制约了其在大规模催化反应中的应用。因而开发全固态FLPs催化剂具有重要理论与实用价值。候选人提出了通过固体表面工程，构筑固态FLP位点的新策略。如通过表面修饰工程在二氧化铈表面调控氧空穴，首次构建了含FLPs位点的全固态催化剂。这种特殊的FLPs位点由两个相邻的铈原子(Lewis酸)和与氧空位相邻的一个氧原子(Lewis碱)组成。进一步的理论和实验结果证实该FLPs位点能够强化多相催化剂对H2以及CO2的吸附强度，提高活化程度具有优越的反应活性。因此，通过调控氧空穴构筑固体FLP催化剂的理论基础明确，制备工艺简单，对开发其它固体FLP催化剂具有普适性指导意义。

2.强化金属活性中心与载体的相互作用，构筑双活性位点，实现了对重要加氢催化反应高活性、高选择性和高稳定性的目标。由于反应物与金属催化剂相互之间普遍存在Sabatier原理，也就是相互作用太弱，反应物不能有效活化导致反应活性低；而相互作用太强，产物不容易脱附导致催化剂毒化。因此Sabatier原理揭示了催化活性和选择性往往如"鱼与熊掌"般难以兼得的本质。候选人通过在二氧化铈表面制造大量的氧缺陷，构筑了高分散的金属Pd和氧缺陷组成的双活性位催化剂，成功打破了硝基化合物加氢过程中Sabatier原理的限制，同时提高了加氢反应的选择性、稳定性和活性。这其中的原因是硝基化合物与氧缺陷之间的强相互作用，使硝基选择性吸附在氧缺陷位置；而高分散的Pd用于吸附活化氢气，通过氢溢流过程对吸附在载体上的底物选择性加氢。候选人还证明双位点的策略是一个普适性途径，并且进一步成功延伸到喹啉、吲哚、卤代芳香化合物的选择性加氢反应中。

3.调控二氧化铈表面性质，实现了界面分子吸附强度可控，促发了新的表面催化反应。催化反应是一个反应体系中多个分子(反应物、中间体和产物)与催化剂表面的动态吸附平衡的过程。二氧化铈表现出很多模拟酶催化的性能，但其模拟Peroxidase酶的催化性能几无报道。解决问题的关键在于强化底物和二氧化铈催化剂的相互作用。通过表面缺陷的调控提高反应物和催化剂的相互作用，实现了二氧化铈高效的Peroxidase酶催化性能，并在乳腺癌早期诊断表现出独特的测量温度惰性以及高活性的性能，具有极大的应用前景。  

综上所述，本成果是以稀土材料二氧化铈为对象，面向精细化工，解决催化反应的高活性、高选择性和高稳定性难以合一的关键科学问题(即催化剂表面和界面结构的精准调控)，集物理化学基础概念，合成化学手段以及催化应用探索于一体；通过表面缺陷调控，涉及物理化学、材料化学、生命科学等学科的交叉研究，实现二氧化铈基催化剂在精细化工和医工交叉领域的高附加值利用。