催化是自然界中普遍存在的重要现象，是化学学科中极为重要的研究方向。深刻理解催化反应的机制是有效设计催化剂和调控反应历程的重要基础。然而，作为最为重要的多相催化剂，负载型的纳米颗粒催化剂的结构复杂，传统的制备方法无法得到均一的反应活性中心。因此，在传统的多相催化体系中，催化的分子机制往往很难被深入理解。　　单原子分散催化剂所有的活性中心均暴露在反应环境中且结构均一，使单原子分散催化剂具有优异的催化活性、选择性和特殊的催化能力，为催化机理研究提供了理想的模型体系。因此，单原子分散催化剂在近十年来越来越引起了人们的关注。但目前单原子分散催化剂研究领域仍存在两大问题。其一，活性组分的负载量较低，使催化剂难以被表征，也难以走向实际应用;其二，对于单原子分散催化剂在反应体系中的作用理解不深。在催化机制研究方面，大多数报道直接沿用传统催化剂的催化机理。　　第一章将从传统的负载型纳米催化剂出发，引出单原子分散催化剂的特点和优势，并总结了文献中报道的单原子分散催化剂合成的现状，最后阐述了本论文的选题依据和研究内容。本论文旨在突破当前单原子分散催化剂金属负载量低的瓶颈，发展新的合成策略，以深入理解多相催化剂的催化分子机制，为催化材料的精准调控制备提供理论基础。主要研究结果如下:　　第二章:以超薄二维二氧化钛作为载体发展了一种使用紫外光照制备单原子分散钯催化剂的有效合成策略。由于选用的二氧化钛载体具有大比表面积和正值表面电位，通过静电吸附，钯负载量可以高达1.5 wt％。结合球差矫正高分辨透射电镜，X射线吸收光谱等先进表征手段和密度泛函理论计算，证实了钯以单原子形态分散的结构特点。所合成的钯催化剂在碳碳双键的催化加氢反应中不仅展示出高稳定性，而且活性是钯纳米颗粒的9倍以上（以单位表面原子计算）。　　第三章:研究了紫外光照法制备单原子分散钯催化剂的反应机制。通过使用电子顺磁共振谱证实了紫外光照的作用在于将二氧化钛表面乙二醇基激发生成乙二醇自由基，后者不仅有利于钯上氯离子的脱除，还可通过Pd-O键将钯原子锚定在载体上，形成了独特的“钯-乙二醇-二氧化钛”的界面。通过设计分步法制备单原子分散的钯催化剂，进一步说明了乙二醇自由基帮助钯表面氯的脱除过程。　　第四章，研究了单原子分散钯催化剂具有高催化活性的结构机制。理论计算表明，氢气在单原子分散钯催化剂上采用了界面异裂活化方式，同时生成了Pd-H和O-H物种。氢气异裂的活化机制通常发生在金属有机配合物作为催化剂的均相加氢催化体系中，在非均相贵金属催化剂上鲜有报道。理论预测O-H上的氢转移是加氢过程的速控步骤，并得到了同位素动力学实验和谱学实验的证实。氢气在单原子分散钯催化剂上的异裂活化也极大地提高了催化剂在极性不饱和键（如碳氧双键）加氢反应中的催化活性（＞55倍）。　　第五章:时至今日，单原子分散催化剂能否催化一氧化碳氧化，尤其是低温下(100℃以下)是否具有活性仍是一个存在争论的问题。通过研究灼烧对催化剂的结构影响，证实了单原子分散钯催化剂对一氧化碳催化氧化具有低温催化活性。灼烧后的单原子分散钯催化剂的活性比灼烧前的催化剂高四倍左右。通过电子顺磁共振谱的表征，确认了超氧物种在特殊的钯-超氧-钛界面形成，并直接参与了一氧化碳催化氧化反应。　　第六章:紫外光照法在其他体系中的拓展，如P25上直接光照负载单原子分散的钯。但这一尝试制备的催化剂负载量较低，与文献报道的催化剂在同一水平。