催化在石油冶炼、医药化工及新能源开发等诸多领域起到着重要作用。催化剂应用性能的评价包括催化活性、选择性及稳定性等方面,而近年来方兴未艾的单位点催化剂（又名单原子催化剂）兼具传统均相催化与异相催化的优势。本论文首先概述了单原子催化剂的合成方法、表征手段及催化应用,并积极探索合成了“Rh₁@MSNS-NH₂”与“MOF衍生的CoN_xC”等新型单原子催化剂并研究其催化性能。此外,本文还通过谱学及电镜表征全面研究单原子催化剂结构特点与其催化活性的关系,构建催化剂“合成-结构-性能”关系,对催化剂设计提供指导性建议。本研究取得的主要进展包括以下三个方面:1.Rh₁@MSNS-NH₂单原子催化剂的合成与催化活性和选择性研究。通过铑盐前体与不同配体修饰的三维树枝状介孔硅球之间的配体交换合成了多种单原子催化剂Rh₁@MSNS-Ligand;将不同配体修饰的单原子铑催化剂Rh₁@MSNS-Ligand应用于4-硝基苯酚的催化还原,发现不同配体环境对单原子铑位点催化反应速率有显著的影响;我们将Rh₁@MSNS-NH₂应用于端炔的硅氢化加成反应中,Rh₁@MSNS-NH₂所催化的硅氢化反应可以通过马氏加成获得动力学受阻且产物热力学不稳定的α-烯基硅产物,表明Rh₁@MSNS-NH₂还对一些催化反应具有特异的位点选择性。2.Au@MSNS-NH₂样品的电子三维断层重构研究。对Au@MSNS-NH₂样品在透射电镜中以不同倾斜角度进行二维投影拍照,将所得图像通过加权反向投影进行电子三维断层重构,解析出Au@MSNS-NH₂样品的内部截面影像,重构结果成功给出了金纳米颗粒位于介孔硅球的孔腔内部而非在外表面的直接证据,表明此类介孔材料对所负载的金属纳米颗粒存在空间限域效应。3.基于MOF衍生Co-N-C非贵金属ORR催化剂的“合成-结构-性能”关系。利用CoCl₂钴源、1,10-Phen氮源与ZIF-8作为载体,通过CoCl₂-Phen-ZIF8催化剂前体的不同混合方式并后续热处理活化,可以分别得到双位点Co@C-CoN_xC与单位点CoN_xC两种结构类型的Co-N-C催化剂;我们通过多种表征手段研究催化剂前体煅烧活化过程中导致结构变化的“温度效应”,CoN_xC-Co@C系列催化剂的ORR活性与煅烧温度的关系呈现以1000℃为中心的“火山型模型”趋势,而CoN_xC系列催化剂的ORR活性随着温度升高至1000℃而升高,随后进一步升高温度所得催化剂的催化活性维持不变。结合ORR催化性能随着煅烧温度的变化趋势,对不同温度煅烧所得的Co@C-CoN_xC与CoN_xC两类催化剂构建了其“合成-结构-性能”关系。