CeO₂中的Ce离子具有可变价性( Ce 4 + ? Ce³⁺),导致它具有很高的储氧、释氧能力,同时也表现出良好的氧化-还原性能。因此,基于CeO₂的催化剂在燃料汽重整（水煤气转化、CO优先氧化、CH₄、CH3OH等有机物分解和合成等）、汽车尾气处理、燃料电池电解质和玻璃的抛光碾磨等工业生产及化学催化反应过程中已得到广泛的应用。在这些过程中,H₂O或作为反应物存在,或作为生成物存在;因此H₂O在这些过程中有什么作用,对这些化学催化反应有什么影响就至关重要。掺杂能够改善金属氧化物催化剂活性,从原子、电子水平了解H₂O和CeO₂的相互作用以及掺杂对这种相互作用的影响,有助于我们理性设计具有更高催化活性的CeO₂基材料,从而更好的为生产生活服务。本文用基于密度泛函理论的第一性原理方法和超晶胞模型,系统地研究了H₂O和CeO₂（111）表面的相互作用。与氧化态的CeO₂表面相互作用时,H₂O以单氢键结构化学吸附于表面上,不能被解离;在还原态的CeO₂衬底上,H₂O以无氢键构型吸附于空位顶,或解离吸附形成更稳定的表面羟基结构。在无氢键结构中,一旦H₂O中的氢原子朝向衬底,它将自发解离形成表面羟基结构。在一定的外部环境（即一定的温度和压强）下,H₂O会以什么状态存在?把我们的DFT理论的计算结果和一些实验数据相结合,来判断每个过程中系统吉布斯自由能的变化,便可得到系统的相图,从而进一步分析出在一定的温度和压强下H₂O可能存在的状态,结果表明,H₂O可以用来氧化轻度还原（氧空位的浓度较小）的CeO₂,这一反应容易在中低温发生,伴随着Ce⁺³→Ce⁺⁴的变化;研究也发现,氧空位浓度较高时,由于结构的畸变,CeO₂要变为类似Ce2O3的结构,H₂O则不能氧化高度还原的CeO₂。研究表明,Zr掺杂CeO₂能够提高CeO₂中氧离子的活性和体系的热稳定性;氧离子的活性和它的可还原性是同一个事物相互矛盾的两个方面,为了保持较高的催化活性,必须使这两个方面达到一种较为理想的状态;因此,本文系统研究了H₂O和Zr掺杂CeO₂的相互作用。结果表明:在氧化态的Zr掺杂CeO₂上,H₂O中氧（O*）和Ce成键时,H₂O化学吸附形成单氢键结构,而O*和Zr成键时,H₂O能够解离。Zr掺杂CeO₂表面存在两类氧原子,一类（OI）与三个Ce离子近邻,另一类（OII）则与两个Ce离子和一个Zr离子近邻,相应地存在两类还原态的表面（VI,表面失掉一个OI;VII,表面失掉一个OII ）。在第一类还原态Zr掺杂CeO₂上,当H₂O中O*和Ce成键时,H₂O解离形成表面羟基结构,而当H₂O中O*和Zr成键时,H₂O不能分解;在第二类Zr掺杂还原态CeO₂上,由于结构弛豫引起的畸变,H₂O有更为复杂的行为;这些过程的发生,依赖于Zr和Ce电子亲和能力的差别以及相应的O的活性。