甲烷活化和转化在能源、化工、环境等方面都十分重要,其中催化剂的选择是关键。氧化物是常用催化剂或载体,贵金属单原子催化在催化反应活性及选择性等方面都表现优异,是多相催化领域的一个新的发展方向。本论文使用团簇模型研究反应的微观机理,将密度泛函等理论与团簇质谱等实验方法相结合,系统研究纳米尺寸氧化铌阳离子团簇在甲烷活化过程中的作用并对比钒氧化物团簇;单原子金或银在钒氧化物团簇上的吸附及与甲烷的反应,以及相关团簇与甲烷的活化反应的初步研究。（Nb₂O₅）N⁺团簇的反应性随着N的增加而降低,且当N≥4时,（Nb₂O₅）N⁺团簇的反应性要高于（V₂O₅）N⁺的反应性。相较于团簇尺寸和金属类型（Nb对V）的反应性,其差异归因于热力学,动力学,电子捕获能力和未配对自旋密度的分布。纳米尺寸的铌氧化物团簇显示出了比钒氧化物更高的夺氢反应性,表明氧化铌是一种十分具有前景的催化剂用于实际甲烷转化。单原子与其载体之间的键合性质与单原子催化剂的稳定性和反应性有密切的关系,贵金属单原子金或银更倾向吸附在钒氧化物团簇的边缘。当甲烷吸附在AuV₃O_y^+/-/0团簇时,与氧原子相比,Au V3Oy+/-/0团簇上的金更容易活化甲烷。对于开壳层阳离子团簇及中性团簇,甲烷被金原子（吸附在氧位点）活化,且金更容易得电子。而阴离子团簇,甲烷更倾向吸附在氧上。这些将有助于解释实验观察到的催化反应现象,得到催化活性中心的组成和结构特点,揭示催化反应的微观机理,在分子水平上总结影响反应活性和选择性的主要因素,从而为合理设计价格相对低廉的甲烷转化的高效催化剂提供理论指导。