负载型金属催化剂是电催化领域中研究最广泛的非均相催化剂。金属催化剂的结构和尺寸是影响其活性的重要参数。由于电催化的活性中心是配位不饱和的金属原子,因此减小催化剂的粒径可以大大提高每个金属原子的利用率。锚定在载体上的金属单原子催化剂（SACs）具有的最大原子利用率、高选择性和高效率,因而在能源转换和储存中备受瞩目。但是,在金属单原子催化剂中,金属原子的表面自由能大,趋于聚集成纳米颗粒或纳米簇。为了防止金属原子的在制备和反应过程中移动和聚集,需要选择合适的载体与金属原子形成较强的相互作用,从而获得稳定、均匀分散的活性位点。此外,通过载体材料的改性,包括引入缺陷,空位和杂原子掺杂等,可以优化单个原子与载体之间的相互作用,以增加金属负载量。针对以上问题,本论文着重于SACs的制备方法开发与电化学应用,从改性载体材料出发,通过使用硬模板和杂原子掺杂等手段,研究催化剂形貌和电子结构与性能之间的关系,优化反应历程,主要研究内容与结果如下:（1）针对石墨烯基单原子催化剂在高温合成过程中碳层堆叠、金属聚集的问题,开发一种以自制蒙脱石为模板的合成策略,以制备过渡金属单原子负载在石墨烯纳米片层的单原子催化剂。通过将邻菲罗啉和金属的络合物插入蒙脱石层间,在高温热解过程中,碳前驱体在层间限域作用下二维生长,同时抑制了金属物种生长聚集,将模板刻蚀后获得单金属原子均匀分散的三维碳材料。相比于不使用模板获得的块体状碳材料,使用模板获得的层状结构催化剂表现出超高比表面积,其中Ni-SAC具有优异的CO2RR活性,Ni-SAC的电子结构分析表明Ni的价态介于0价和+2价之间,中心金属原子的配位结构是Ni-N4。实验结果表明,这种特殊的结构,使得Ni-SAC催化剂在CO2RR中具有优异的电催化活性,在-0.6至-1.1 V的大电位范围内,CO法拉第效率大于90%,并且能在连续30个小时的恒电位测试（-0.9 V vs.RHE）中保持稳定以及CO法拉第效率维持在95%。（2）以蒙脱石为模板剂,邻菲罗啉与铁络合物为碳前驱体,在不同焙烧温度热解制备了一系列Fe单原子催化剂,较高的焙烧温度获得的Fe负载量略微降低,但是吡啶氮的含量变多。吡啶氮是与金属发生配位的氮物种型态,不同焙烧温度导致载体含氮官能团的变化导致了Fe的配位环境不同,从而影响了催化剂在ORR反应的活性。其中,900℃焙烧获得的Fe-SAC-900同时在酸性和碱性电解液中,表现出可以与商业Pt/C一致的ORR活性,并且在长时间恒电位稳定性测试和抗甲醇氧化测试中稳定性均超过商业Pt/C。（3）将引入铁催化剂的聚苯胺在模板剂埃洛石纳米管的表面包覆,高温热解后酸洗除去模板剂,得到负载Fe单原子的中空纳米管的三维碳载体。该催化剂不但继承了模板的形貌和结构,且拥有高达1000 m2·g-1以上的比表面积。此外,在苯胺聚合包覆的过程中引入植酸可以对催化剂进行磷掺杂改性,磷掺杂可以调节由金属位点形成的SAC的催化中心及其与载体的配位环境,进而影响催化剂的电化学活性。引入磷后形成的氮磷共掺杂结构具有比单纯的氮掺杂更优秀的ORR活性,并且ORR反应过程为四电子过程。（4）将单原子Sn掺杂Cu O用于调控CO2RR的选择性,通过改变Sn的掺杂量,获得高达90%以上CO的法拉第效率。加入单原子Sn后,不仅改变了Cu O的形貌生成纳米线形貌的Cu O,还能调控Cu的电子价态,改变催化剂的电子结构。原位衰减全反射表面增强红外光谱证实了Sn掺杂的作用机理是将中间体CO在电极表明的线式吸附改变为桥式吸附,从而抑制了反应物的进一步还原,使得产物单一化为CO。