催化技术在能源转化、石油化工、环境污染控制、精细化工等诸多领域发挥着巨大作用,据统计,在发达国家由催化技术直接和间接贡献的GDP达到20-30%。负载型金属催化剂则是应用最为广泛的催化剂类型之一。随着催化科学的发展,特别是原子尺度高分辨显微技术、各种原位动态光谱表征技术、以及计算化学的发展,对于负载型金属催化剂的认识和可控制备已经从传统的纳米尺度深入到亚纳米甚至单原子尺度。制备单原子分散的负载型金属催化剂不仅可最大限度提高金属特别是贵金属原子利用率,而且对于从原子/分子尺度理解复杂的多相催化反应、开发单一活性位催化的高选择性反应、以及构建均相和多相催化反应的桥梁都具有非常重要的意义,从而使得单原子催化成为当今催化科学的最前沿课题之一。本报告将以氧化铁负载的Au、Pt、Ir单原子催化剂和Au-Pd、Zn-Pd合金单原子催化剂为例,介绍单原子催化剂的可控合成、先进表征技术、以及在CO氧化、水煤气变换、乙炔选择加氢、和C-C、C-N偶联反应中的独特催化行为和构效关系,并对单原子催化、亚纳米催化以及纳米催化在航天航空推进技术领域的应用前景进行展望。