随着有限化石燃料的迅速消耗和环境污染问题的日益加剧,人类对绿色、清洁的可再生能源的需求不断增长。在新一代能源技术中,燃料电池以其较高的能量密度、零污染、高可靠性等优点显示出了巨大应用前景。然而作为燃料电池半反应之一的阴极氧还原反应（ORR）,反应路径较为复杂,本征动力学过程迟缓,严重影响了燃料电池整体的能量转换效率,从而阻碍了其在汽车市场的商业化推进。因此,设计和开发一种高活性、高选择性、低成本的ORR催化剂是迫在眉睫。目前,最有效的ORR催化剂仍然是Pt基材料,如传统的商业铂碳（Pt/C）,但同时贵金属的稀缺性和高成本性极大地阻碍了其在燃料电池领域的规模化生产应用。为了解决这一问题,多种改性策略已被广泛报道以期在确保高效催化的同时提高材料中Pt原子的利用率。将活性位点缩小至原子级分散的单/双原子催化剂因其高本征活性、令人满意的催化稳定性以及最大化的原子利用率等优点,一跃成为电催化领域的研究热点。本论文提供了一种Pt掺杂缺陷Ti1-xO2的单/双原子催化剂的合成策略,详细研究了Pt活性单元独特的配位环境与电子结构,并从原子级轨道分析和电荷层面给出了与催化反应的构效关系。具体研究内容如下:（1）提出了一种新型策略来揭示特定的d轨道在电化学催化中的作用,以期在原子轨道层面上理解精确催化。利用COHP计算表明,Pt/Co-Ti催化单元的d轨道z轴分量主导了O2分子在Pt1/Co1-Ti1-xO2催化剂表面的吸附,从而驱动ORR的进行。受到上述理论的启发,我们在实验上采用了静电-吸附锚定策略制备了原子级分散的Pt/Co掺杂Ti1-xO2纳米片(Pt1/Co1-Ti1-xO2单原子样品),并于碱性环境中确认了其优异的ORR催化性能。进一步理论分析表明,Pt1-Ti1-xO2优于Co1-Ti1-xO2的ORR性能可以归因于金属d-d杂化后Pt中心对Ti位点的活化能力要强于Co。总的来说,这项工作为深入原子轨道层面探究潜在的催化机制提供了可行之策,并为精确催化剂的理性设计提供了新的可能。（2）考虑到单层Ti1-xO2纳米片作为分散掺杂原子的载体,其表面有着容量可观且数量丰富的Ti-O缺陷“孔洞”,为Pt原子对的引入提供了得天独厚的锚定位点。在实验上我们借助了液氮的快速冷冻技术降低了金属原子的热振动,为载体捕获Pt双原子创造了有利条件。制备得到的Pt2-Ti1-xO2双原子催化剂展现出了令人满意的碱性ORR反应活性及催化选择性,具体表现为优越的0.878 V半波电位值和媲美于商业Pt/C的极限电流密度,且随后一万圈的循环稳定性亦得到了证实。HAADF-STEM技术、XAFS测试、FT-IR与EPR表征确认了材料中区别于孤立的单原子位点的毗邻Pt原子对的存在,揭示了Pt2物种独特的电子结构与化学配位环境。同时,我们将这一合成策略进行了拓展获得了一系列双原子样品,证实了该合成路径的普适性与可操作性。