如何确定孤立的单个原子的存在及其空间分布，是单原子催化剂发展的关键。
最直观且最有说服力的方法就是利用STM（扫描隧道显微镜）和ACEM（球差矫正电镜）等电镜技术直接对分散于高比表面积载体表面的单个原子进行成像。而X-射线近边吸收谱（X-ray absorption near edge spectroscopy, XANES）和扩展的X-射线吸收精细结构谱（X-ray absorption fine structure, EXAFS) spectroscopy）也可以提供关于单原子的分散性及其氧化态的信息。除此之外，利用合适的探针分子，如CO, NH3，吡啶等等，红外光谱也可用于评估单个金属原子的存在，并在一定程度上对分散在载体表面的的单个金属原子的含量百分比进行定量分析。
一、电镜技术
电镜技术可用于确定单个金属原子的存在及其在载体表面结构中的位置以及空间分布尤其适用，对于单原子催化剂的合成方法的发展和优化是必不可少的。
图1. 单元子Pt负载的Pt/ Fe2O3。球差矫正高角度环形暗场扫描投射电镜
（aberration-corrected high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy, HAADF-STEM）
过去几年来，球差矫正HAADF-STEM为负载型单原子催化剂的特性以及合成优化提供了有价值的信息。能量分布X-射线光谱仪（energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS）和电子能量损失谱（electron energy loss spectroscopy, EELS）还是很难对单个金属原子的组成进行分析。这是因为，电子束诱导效应和探测灵敏度的限制阻碍了对高比表面积载体表面负载的单个原子的特性的确定。当单个金属原子包埋于二维材料载体表面时或者定位于载体内部区域时，EELS和EDS可用于确定单个原子，并提供关于检测原子的氧化态的信息。
二、谱学技术
2.1 EXAFS和XANES
EXAFS和XANES技术被广泛应用于负载型金属纳米颗粒或者团簇的表征。过去近十年来，Gates课题组利用这些技术对具有精确原子数和结构的金属团簇或者分子配合物进行表征。EXAFS光谱表征金属-金属配位数可用于有效确定single atom catalyst是否成功得到。根据single atom catalyst定义，在EXAFS中，活性物种中的金属-金属键是不存在的。因此，如果EXAFS数据不包括任何关于金属-金属键的信息，我们基本可以推断只有单个金属原子存在于催化剂。
表1. 不同Pt负载量催化剂的EXAFS数据拟合结果
张涛课题组利用EXAFS和XANES技术评估了Pt1/FeOx催化剂的特性。根据不同Pt负载量催化剂的EXAFS数据拟合结果，Pt-Pt配位数N随着Pt负载量降低而降低。当Pt的负载量降低到0.08 wt%，催化剂在200℃还原之后，EXAFS数据没有出现明显的Pt-Pt键，仅有Pt-O键（2.01 Å, N=3.9）和Pt-Fe键（3.05 Å, N=3.3）存在。Pt-Fe比Pt-Fe合金（2.54 Å）更长的配位表明，Pt和Fe可能并不是直接和Fe配位，二是通过O桥连。当还原温度增加到250℃，EXAFS数据出现了Pt-Pt键的信息，但是比体相Pt中的Pt-Pt配位距离要长得多，这表明Pt原子在一定程度上发生团聚，但是还没有形成小团簇。
图2. 不同Pt负载量催化剂的XANES数据拟合结果
根据不同Pt负载量催化剂的XANES数据拟合结果，随着Pt负载量的提高，白线强度（表示Pt物种的氧化态）逐渐下降，表明氧化态的减少。这表明随着Pt负载量的减少，Pt原子被氧化更多，也就是Pt-O更多，这和EXAFS数据显示的Pt-O键的配位数更多是一致的。对于0.08 wt%的Pt，250℃还原处理导致白线强度更低，说明Pt-O配位数减少，这也是和EXAFS结果一致。
结合EXAFS、XANES以及HAADF-STEM及相关讨论分析，张涛课题组得到结论：0.08 wt% Pt/FeOx-R200中仅含有单个Pt原子，而且是高度氧化态。
金属单原子负载催化剂中金属单原子的超低负载量使X-射线吸收光谱技术的发挥到了极限。因此，现在需要进一步发展新的探测器和数据分析方法来获得更准确的信息。
2.2 红外光谱系列技术
IR可以直接检测吸附分子和载体表面之间的相互作用，时间和温度分辨的傅里叶变换红外光谱可用于检测催化中间产物。通过检测待测模型的振动频率和强度，经过合适的校正，可以推断活性中心的特性。借此可以分析整体催化剂的情况，是表征单元子负载金属催化剂的重要手段。
早在二十世纪70年代，Yates等人通过红外技术在他们的高分散性Rh催化剂中检测到了单个Rh原子物种。FTIR被用于确认孤立的单原子Pt存在于H-Mordenite负载型Pt催化剂中。
图3. 红外提取金属单原子催化剂的性质
利用CO用作探针分子，Matsubu等人在300K温度下，使CO强吸附于4% Rh/TiO2催化剂中，作者认为~2097 cm-1和~2028 cm-1的峰是Rh(CO)2物种的对称和不对称伸缩振动，独特地存在于TiO2载体上的Rhiso位点。~2068 cm-1和~1860 cm-1的峰归属于CO分子在Rh纳米颗粒表面的线性或者桥位吸附。
CO在孤立的单原子Rh位点上的线性吸附的强度随着Rh的负载量发生变化，可以定量各种类型的位点（Rhiso和Rhnp）。数据表明，在Rh负载量最低的时候（0.5 wt%）,TiO2表面存在大量单原子Rh（62%），当负载量增加到2%，单原子Rh含量降低到20%以下。也就是说，Rh负载量非常低的时候，Rh大部分以单原子形式存在。随着Rh含量增加，纳米颗粒和团簇会越来越多。
2.3 核磁共振
固态魔角旋转NMR，尤其是原位条件下，可以分析催化反应中金属物种和结合配体的信息。这种技术被用于研究极低负载量情况下单原子Pt的锚定。配位不饱和的五配位Al3+在γ-Al2O3载体表面被确认为单原子Pt的锚定位点。而逆氢诱导极化引起NMR信号的增强，被用于确认单原子Au的存在。
总之，单原子分散催化剂的表征是研究单原子催化剂的必备手段，然而目前许多表征技术都使用生命在战斗，所以，发展新型的表征技术，对于单原子催化剂的合成方法和结构设计的优化，意义重大！
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