催化领域极为重要,催化剂使得化学反应可以低能量地进行,在汽车工业对减少有害排放发挥着重要作用,并且是设计未来的可替代能源的核心与关键。许多催化剂采用纳米颗粒或低维纳米样品,使得催化剂的设计和了解各种催化剂的性能成为一个挑战。纳米催化剂由于尺寸很小,表面所占的体积百分数大；表面的键态和电子态与颗粒内部不同；表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加；表面光滑程度变差,形成了凸凹不平的原子台阶,增加了化学反应的接触面。因而具有极高的催化活性。然而受到光学显微镜分辨率的制约,其他技术如X射线衍射谱、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等都是利用性质间接进行观测,因而亟需一种可以进行直接观测的有力手段。随着电子显微镜不断发展,分辨率从nm量级突破至现今的亚原子量级,已经成为当下最流行最有力的电子表征技术,用以对尺寸较小的纳米材料进行结构的解析。本论文中,我们借助球差校正高分辨透射电子显微镜、扫描透射电子显微镜、电子衍射、离轴电子全息、能量色散X射线谱等技术,原子分辨地研究了各种低维纳米催化剂的结构以及化学成分分析。本文得到的主要结论如下：1.Ag纳米颗粒作为氧气吸附常用的催化剂,各种性质一直备受关注。本论文利用球差校正电镜观察了10 nm以下的Ag颗粒的聚结过程,通过记录相位信息,得到其内势能,从而得到其三维形貌以及表面张力随尺寸的变化曲线。2.双金属催化剂是很好的燃料电池氧还原反应催化剂,利用显微镜图像的暗场像得到不同取向颗粒的分布；利用原子分辨率X射线化学元素分布图确认了双金属Cu、Au元素在单个单晶颗粒中的分布,确认在催化反应前后,双金属催化剂元素位置分布有无变化。3.为探索新型催化剂以降低汽车尾气催化剂Pt材料的成本,利用水热法以及离子交换法合成NixZni-xGa2O4(x=0.05～0.9)的新型颗粒催化剂。这种催化剂有很好的催化性能,并且扩大了温度反应窗口。利用电子显微技术分析表征发现,这种粒径分布均匀,约为6-8nm。随着Ni元素含量的增加,晶格收缩,粒子尺寸增加。Ni、Zn元素形成立方尖晶石结构的固溶体,并且表面暴露面多为{111}面,有较多的转角以及边缘等高催化活性场所暴露于表面。4.二维石墨烯材料一直备受关注。石墨烯不仅具有较高的催化性能,也是担载催化剂的合适选材。研究发现,石墨烯的边缘对于电池中的氧还原反应具有很高的催化活性,因而表征其边缘的形貌层数折叠方式等具有重要的意义。利用球差校正电子显微镜对制得的石墨烯样品进行形貌、层数、电子衍射斑点的表征,发现值得的石墨烯样品具有较高的纯度,是不同取向的单层或多层石墨烯的堆叠。