对于催化燃烧反应，催化剂的氧化还原能力、供氧性能以及表面存在的氧物种至关重要，一般认为金属氧化物表面上氧物种主要存在下面三类形式：（1)吸附态氧物种：O² 或 O^2-(分子吸附氧）；表面氧物种：O_(Surf)-（表面吸附氧）或 O_(Surf)^2-（表面晶格氧）;(3)体相晶格氧，O_(Bulk)2-，这些不同的氧物种在适当的条件可以相互转化O₂(g) ↔O_2(Surf)↔O₂(_Surf)^-↔O_(Surf)^-↔O_(Surf)^2-↔O_(Bulk)^2-。气相中的氧进入到金属氧化物的晶格中，是一个逐渐被得到电子，被还原的过程。反之，金属氧化物的氧从体相迁移到气相中，是一个逐渐失去电子，被氧化的过程。提高氧化物的氧化还原能力的实质就是提高氧化物的储放氧性能和氧传递能力。具体过程如下图所示。

CeO₂是一种典型的稀土材料，Ce元素具有未充满电子的 4f 轨道，在氧化或者还原的条件下，Ce³⁺和Ce⁴⁺之间存在一个快速的转换，从而充当电子“储存器”的作用，这也是大量论文将CeO2中Ce³⁺的含量和氧空位关联起来的原因，每一个氧空位的生成，表明有两个Ce⁴⁺变为了Ce³⁺。，储存随着氧空位形成所产生的自由电子或者促进分子氧的吸附和活化，最终提高催化剂的储放氧能力和氧化活性。凭借这一优异的性能，CeO2作为催化剂的活性组分或载体被广泛用于汽车尾气、工业废气、废水的催化净化，光电催化等。H2-TPR和O2-TPD是表征催化氧化还原性能，表面氧物种，活性氧含量的常见手段。

CeO2的氧空位有两种来源：本征氧空位；外来的氧空位（通过掺杂2价或者3价的金属原子，引入杂质原子，生成氧空位），。另外，OSC(oxygen storage capacity )也是表征催化剂最大可利用氧含量多少的有效参数，不过在CO/O2的脉冲实验过程中，CO的消耗量往往和CO2的生成量不严格相等。