当前,日益严峻的能源短缺和环境污染问题促使人们寻求可持续、清洁的能源储存和转化系统。发展高效催化剂是提升整个系统能量转化效率的关键一环。近年来,单原子催化剂因其独特的电子结构,以及在能源催化中展现出的优异性能,成为当前科学研究的前沿和热点。本论文旨在发展便捷、可控的单原子催化剂合成方法,同时对单原子催化剂的价态和配位环境进行调控,并将单原子催化剂应用到电化学析氧反应中。此外,借助先进的技术手段和理论计算,从原子分子层面阐明单原子催化剂的电子结构和其催化性能之间构效关系,凝练出调控单原子催化剂催化性能的关键因素,为开发高效的新型单原子催化剂体系提供新的思路。本论文主要包括以下内容:1.成功开发出了一种普适性的、利用电化学沉积制备单原子催化剂的方法。利用该方法,可以实现在任何衬底上制备任何的过渡金属单原子催化剂,并且可以通过控制电化学沉积条件,对同一种金属单原子催化剂的价态和配位环境进行调控。此外,阴极沉积制备的单原子催化剂在电化学析氢反应中展现出优异的性能,阳极沉积制备的单原子催化剂在电化学析氧反应中展现出优异的性能。进一步把阴阳极制备的生长在泡沫镍上的Ir1/Co0.2Fe0.8Se2单原子催化剂组装成二电极系统后发现,其在电化学全水解反应中展现出了打破世界纪录的性能。2.成功发展出能高效催化电化学析氧反应的高价铁单原子催化剂。通过电化学阳极沉积成功制备出负载在多孔碳上的Fe单原子催化剂(Fe1(OH)x/P-C)。该催化剂在电化学析氧反应中展现出比铁基氧化物Fe203,FeOOH高出了两个数量级的性能。通过电化学机理研究和理论计算后发现,Fe1(OH)x/P-C催化剂中由于Fe-O-C化学键的存在,使得单原子Fe的价态在施加较低的氧化电压后会由+3价转变成了+4价,而+4价的Fe单原子由于eg轨道电子填充数为1,因而催化剂对反应中间体的吸附更加适中,进而促进了电化学析氧反应的动力学。3.成功利用对称性破缺活化了 LiCo02中电化学析氧活性不高的Co位点。通过高温烧结的方法,成功在LiCo02晶格中引入离子半径较大的La单原子。La原子和Co原子离子半径的巨大差异会诱导近邻La单原子的Co06八面体发生扭曲,打破了 LiCo02中Co06原有的对称性,活化了 LiCo02中电化学活性不高的Co位点,提升了 LiC002的电化学析氧性能。进一步的研究表明,扭曲的Co06八面体增强了 LiCoO2的导电性和Co-O杂化程度,从而极大地促进了其电催化析氧的性能。