催化在人类文明进步与世界经济发展中扮演着非常重要的角色。它能够以一种高效,绿色和经济的方式将原材料转变为具有高附加值的化工产品和燃料等,因而被广泛应用于能源,化工,食品,医药,电子等各个领域,被称为“现代工业的心脏”。目前,全世界90%以上的化学生产过程都离不开催化。催化科学主要分为三个领域:多相催化、均相催化和酶催化。多相催化具有高稳定性、容易分离的优点使得其广泛应用在各个领域中,目前工业中使用的催化反应基本都是多相催化剂,缺点是组分复杂、结构不清晰、原子利用率低;均相催化具有结构明确、高活性的优点,但是因为成本高、分离困难,极大地限制了其应用;酶催化具有高特异选择性和高活性,但是酶极其不稳定,非常容易失活。因此设计合成高效、稳定、高选择性、低成本、易分离的催化材料是催化科学与技术发展的核心。单原子催化剂集均相催化独立单一清晰的活性中心和100%的原子利用率、多相催化稳定和易分离回收、酶催化高选择性的优势于一身,被认为最有希望建立起多相催化、均相催化、酶催化之间的桥梁,最有希望建立催化大一统理论的超级明星学科。我们从实验的角度有力地证明了这一认识,所制备的多相单原子钯催化剂首次实现了之前仅发生在均相催化领域的偶联加氢反应。此外,我们合成了单分散的稀土金属铈,并将其应用到燃料电池中,表现出优异的性能。单原子催化剂与生物体酶的活性中心有异曲同工之处,我们抓住这一特点,认真研究,在实验上证明了单原子催化剂可以产生类生物酶的活性,引发了同行对单原子酶的研究热潮。基于此,本论文对单原子催化剂在有机催化、电催化、类酶催化领域的应用进行了深入的研究和探讨,主要内容概括如下:1.Pd单原子催化剂在末端芳基乙炔二聚半氢化反应中的应用我们利用ZIF-67表面配位不饱和悬挂N键与Pd单原子配位形成Pd-N键,由于Pd-N键的配位强于Co-N键,因此在水热处理过程中发生相变,从而获得中空的菱形十二面体的壳上的负载型Pd单原子催化剂(Pd1/H-ZIF)。XRD,HAADF-STEM和XAS结果表明Pd1/H-ZIF中仅含有单分散的Pd单原子,以PdN2O2的形式存在,且Pd价态处在0和+2之间。对只能利用均相催化剂才能实现高效催化的苯乙炔二聚生成共轭二烯的反应,Pd1/H-ZIF表现了优异的催化选择性和活性,成功实现了均相反应的多相催化。该反应是一个两步反应,先是C-C键的偶联生成1,3-烯炔,随后经过加氢步骤得到最终产物共轭二烯,其中1,3-烯炔的生成为决速步。该工作不仅实现了均相反应多相催化提供了可能,又为从原子尺度深刻理解催化剂的构效关系提供了成功案例。2.高配位铈单原子在酸性氧还原及质子交换膜燃料电池中的应用我们利用掺杂、酸洗、气相迁移三步法合成了高载量的锚定在三维分层有序多孔碳氮载体上的Ce单原子(Ce SAS/HPNC)。首先利用SiO2球作为硬模板合成了 Ce掺杂的ZIF-8,随后经过热解和酸洗去除SiO2球,为了进一步提高载量,通过气相迁移策略获得最终产物Ce SAS/HPNC。XRD,XAS,HAADF-STEM和EELS表明了 Ce SAS/HPNC中Ce-N4/O6位点的高度单分散。且其独特的三维分层有序多孔结构有利于暴露更多的活性位点和ORR反应物的传输,从而显著提高其催化活性。在1.0 bar和2.0 bar的背压下,Ce SAS/HPNC的燃料电池的最大功率密度分别为0.475 W cm-2和0.525 W cm-2,且在2 bar H2/O2下0.6 V时产生的电流密度为0.473 A cm-2远远超过了对比样品。这项工作为制备高密度的稀土 SACs提供了一种新的方法,同时也为未来PEMFC技术中开发高活性的非铂催化剂提供了广阔的前景。3.揭示多相单原子催化剂的类酶催化活性我们利用ZIF-8为载体,通过气相迁移策略,合成了具有高度单分散的单原子铁催化剂(Fe SAEs)。XRD,HAADF和XAFS表明Fe SAEs催化剂中所有的Fe原子都是以单分散的形式存在,且具有与天然含血红素酶类似的FeN4结构。EPR实验表明Fe SAEs在过氧化物酶的反应过程中催化过氧化氢分解生成高氧化性的羟基自由基(·OH)。Operando XAFS和DFT表明,由于单个FeN4位点上的氧的活化生成了中间活性物种Fe=O/O=Fe=O,从而使得Fe SAEs表现的极好的类酶活性。除此之外,Fe SAEs还可以作为一种多相的类芬顿催化剂,用于降解废水中的致癌有机污染,经过10个循环反应后其催化性能依旧很稳定。