单原子催化剂（SACs）及其电催化行为的研究,不但能大幅减少贵金属使用量,而且还对人们在原子/分子尺度设计、制备电催化剂,并进一步理解电催化本质起到巨大的推动作用。染料敏化太阳能电池（DSSCs）是一种非常具有代表性的第三代新型薄膜太阳能电池,也是目前己知的唯一使用电解质的光伏器件。碘电解质（其中的氧化还原电对为厂/I-）是使用最有效、最广泛的电解质。电解质电对中的氧化性物质（13^-）在DSSCs对电极发生还原反应,该过程对DSSCs器件光电性能具有重要的影响。本论文围绕DSSCs对电极电催化行为和界面电荷交换这一关键科学问题,选取特定的负载型单原子催化剂为研究对象,探究单原子催化剂的活性与其组成和电子结构之间的关系。据此,设计和制备了三种单原子催化剂,对所制备的单原子催化剂进行电化学性能的系统表征,并与传统催化材料进行比较,考察催化剂中的单原子对催化性能的影响。重点阐明材料的微观结构与其催化活性之间的关系。（一）以氧化石墨和有机金属钛盐为原料,利用钛原子与氧化石墨烯表面含氧官能团之间的强相互作用,采用湿化学吸附方法,制备了Ti₁/rGO型碳基单原子催化剂。球差校正透射电镜表征结果证明,样品中的钛为单原子级分散。为了进一步明确Ti₁/rGO化学结构,对其进行了一系列表征。X射线吸收光谱表征证明了单原子Ti的成键结构,Ti原子通过Ti-O-C键与载体结合。对所制备的样品进行结构解析,并从理论模拟的角度探究其催化活性。相比rGO,Ti^l/rGO的电离势降低,给电子能力提高,对IRR的催化活性提高。将Ti₁/rGO应用于DSSCs对电极,基于该对电极组装成的DSSCs器件获得了8.29%的光电转换效率,相比rGO对电极提高了37%。电化学性能测试结果表明,Ti₁/rGO的催化活性显著优于rGO。实验结果与理论预测的结果相一致。（二）将Pt₁/FeO_x单原子催化剂用作DSSCs对电极材料,从实验和理论两个方面系统研究了该催化剂的IRR催化活性及其对DSSCs光电性能的影响。实验结果表明,载体氧化铁（FeO_x）的IRR催化活性非常低,当FeO_x表面担载质量分数仅为0.02%的单原子Pt时,其催化活性大幅提高,相应地,DSSCs光电转换效率显著提升。在实验研究的基础上,分析了Pt单原子在IRR催化过程中所起的作用。I原子和Pt1/Fe2O3（001）表面的相互作用表明,电子耦合主要发生在I原子和表面Pt原子之间。单原子Pt锚定后,一方面,电离势降低,给电子能力增强;另一方面,费米能级处的轨道更加局域,轨道能增强。本项研究阐明了FeO_x表面原子级分散的Pt在IRR中具有高催化活性的原因。（三）制备了Pt₁/MnO单原子催化剂。将该材料用于DSSCs对电极,采用不同的电化学手段系统研究了其IRR催化性能,并测试了其组装成DSSCs器件的光伏性能。结合实验研究,采用密度泛函理论（DFT）模拟计算,分析了Pt₁/MnO的微观结构与其催化活性之间的关系。相比MnO,Pt₁/MnO功函数降低,给电子能力升高。态密度结果表明,单原子Pt锚定于MnO（100）表面后,费米能级处轨道更加局域,轨道能增强。对比过渡金属原子的平均原子结合能及其在MnO（100）表面Mn空位的吸附能,预测以MnO（100）表面Mn空位为锚定位点,可能得到下面几种稳定的单原子催化剂:Y₁/MnO、Zr₁/MnO、La₁/MnO和Hf₁/MnO。