气体与金属界面的相互作用是相催化研究的核心科学问题之一。反应气体在金属表面上的吸附、解离和反应过程决定了催化反应的机理和金属催化剂的性能。金属催化剂设计中的表观形貌、表面原子结构、元素掺杂、物相以及应变调控等等策略都需要对于金属催化剂表面原子级的精准表征。更重要的是，反应气体分子与上述金属催化剂表面的相互作用的原子过程，厘清这些原子过程既可以为反应机理的研究例如活性位点的确定提供直接证据，又可以为催化剂的衰减机制研究提供有力证据，从而优化催化剂设计。 在诸多高分辨原位表征手段中，透射电子显微学一直走在催化科学研究的应用前沿。球差矫正的扫描透射成像（AC-STEM）以其亚埃级的空间分辨率，成为催化剂材料中单原子、原子团簇以及原子尺度结构调控几乎唯一的直接结构表征手段。另一方面，球差校正环境透射电镜（AC-ETEM） 作为原位透射电镜技术中为催化研究而开发的技术，为样品室创造出加热/气体环境的同时保持基本不损失电镜本身的分辨率，是研究催化剂在反应气体中动态变化的强有力的手段之一。本工作以广泛用于合成甲醇、水煤气转换、CO/烃类选择氧化等众多反应的铜基催化剂为例，研究了铜及合金单晶表面和纳米颗粒在CO氧化反应、水蒸汽中反应条件下的动态结构的变化，厘清了一系列反应气体驱动的活化原子机理，丰富了催化理论以及指导原子精准催化剂的设计。