如何確定孤立的單個原子的存在及其空間分布，是單原子催化劑發展的關鍵。
最直觀且最有說服力的方法就是利用STM（掃描隧道顯微鏡）和ACEM（球差矯正電鏡）等電鏡技術直接對分散于高比表面積載體表面的單個原子進行成像。而X-射線近邊吸收譜（X-ray absorption near edge spectroscopy, XANES）和擴展的X-射線吸收精細結構譜（X-ray absorption fine structure, EXAFS) spectroscopy）也可以提供關于單原子的分散性及其氧化態的信息。除此之外，利用合適的探針分子，如CO, NH3，吡啶等等，紅外光譜也可用于評估單個金屬原子的存在，并在一定程度上對分散在載體表面的的單個金屬原子的含量百分比進行定量分析。
一、電鏡技術
電鏡技術可用于確定單個金屬原子的存在及其在載體表面結構中的位置以及空間分布尤其適用，對于單原子催化劑的合成方法的發展和優化是必不可少的。
圖1. 單元子Pt負載的Pt/ Fe2O3。球差矯正高角度環形暗場掃描投射電鏡
（aberration-corrected high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy, HAADF-STEM）
過去幾年來，球差矯正HAADF-STEM為負載型單原子催化劑的特性以及合成優化提供了有價值的信息。能量分布X-射線光譜儀（energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS）和電子能量損失譜（electron energy loss spectroscopy, EELS）還是很難對單個金屬原子的組成進行分析。這是因為，電子束誘導效應和探測靈敏度的限制阻礙了對高比表面積載體表面負載的單個原子的特性的確定。當單個金屬原子包埋于二維材料載體表面時或者定位于載體內部區域時，EELS和EDS可用于確定單個原子，并提供關于檢測原子的氧化態的信息。
二、譜學技術
2.1 EXAFS和XANES
EXAFS和XANES技術被廣泛應用于負載型金屬納米顆?；蛘邎F簇的表征。過去近十年來，Gates課題組利用這些技術對具有精確原子數和結構的金屬團簇或者分子配合物進行表征。EXAFS光譜表征金屬-金屬配位數可用于有效確定single atom catalyst是否成功得到。根據single atom catalyst定義，在EXAFS中，活性物種中的金屬-金屬鍵是不存在的。因此，如果EXAFS數據不包括任何關于金屬-金屬鍵的信息，我們基本可以推斷只有單個金屬原子存在于催化劑。
表1. 不同Pt負載量催化劑的EXAFS數據擬合結果
張濤課題組利用EXAFS和XANES技術評估了Pt1/FeOx催化劑的特性。根據不同Pt負載量催化劑的EXAFS數據擬合結果，Pt-Pt配位數N隨著Pt負載量降低而降低。當Pt的負載量降低到0.08 wt%，催化劑在200℃還原之后，EXAFS數據沒有出現明顯的Pt-Pt鍵，僅有Pt-O鍵（2.01 ?, N=3.9）和Pt-Fe鍵（3.05 ?, N=3.3）存在。Pt-Fe比Pt-Fe合金（2.54 ?）更長的配位表明，Pt和Fe可能并不是直接和Fe配位，二是通過O橋連。當還原溫度增加到250℃，EXAFS數據出現了Pt-Pt鍵的信息，但是比體相Pt中的Pt-Pt配位距離要長得多，這表明Pt原子在一定程度上發生團聚，但是還沒有形成小團簇。
圖2. 不同Pt負載量催化劑的XANES數據擬合結果
根據不同Pt負載量催化劑的XANES數據擬合結果，隨著Pt負載量的提高，白線強度（表示Pt物種的氧化態）逐漸下降，表明氧化態的減少。這表明隨著Pt負載量的減少，Pt原子被氧化更多，也就是Pt-O更多，這和EXAFS數據顯示的Pt-O鍵的配位數更多是一致的。對于0.08 wt%的Pt，250℃還原處理導致白線強度更低，說明Pt-O配位數減少，這也是和EXAFS結果一致。
結合EXAFS、XANES以及HAADF-STEM及相關討論分析，張濤課題組得到結論：0.08 wt% Pt/FeOx-R200中僅含有單個Pt原子，而且是高度氧化態。
金屬單原子負載催化劑中金屬單原子的超低負載量使X-射線吸收光譜技術的發揮到了極限。因此，現在需要進一步發展新的探測器和數據分析方法來獲得更準確的信息。
2.2 紅外光譜系列技術
IR可以直接檢測吸附分子和載體表面之間的相互作用，時間和溫度分辨的傅里葉變換紅外光譜可用于檢測催化中間產物。通過檢測待測模型的振動頻率和強度，經過合適的校正，可以推斷活性中心的特性。借此可以分析整體催化劑的情況，是表征單元子負載金屬催化劑的重要手段。
早在二十世紀70年代，Yates等人通過紅外技術在他們的高分散性Rh催化劑中檢測到了單個Rh原子物種。FTIR被用于確認孤立的單原子Pt存在于H-Mordenite負載型Pt催化劑中。
圖3. 紅外提取金屬單原子催化劑的性質
利用CO用作探針分子，Matsubu等人在300K溫度下，使CO強吸附于4% Rh/TiO2催化劑中，作者認為~2097 cm-1和~2028 cm-1的峰是Rh(CO)2物種的對稱和不對稱伸縮振動，獨特地存在于TiO2載體上的Rhiso位點。~2068 cm-1和~1860 cm-1的峰歸屬于CO分子在Rh納米顆粒表面的線性或者橋位吸附。
CO在孤立的單原子Rh位點上的線性吸附的強度隨著Rh的負載量發生變化，可以定量各種類型的位點（Rhiso和Rhnp）。數據表明，在Rh負載量最低的時候（0.5 wt%）,TiO2表面存在大量單原子Rh（62%），當負載量增加到2%，單原子Rh含量降低到20%以下。也就是說，Rh負載量非常低的時候，Rh大部分以單原子形式存在。隨著Rh含量增加，納米顆粒和團簇會越來越多。
2.3 核磁共振
固態魔角旋轉NMR，尤其是原位條件下，可以分析催化反應中金屬物種和結合配體的信息。這種技術被用于研究極低負載量情況下單原子Pt的錨定。配位不飽和的五配位Al3+在γ-Al2O3載體表面被確認為單原子Pt的錨定位點。而逆氫誘導極化引起NMR信號的增強，被用于確認單原子Au的存在。
總之，單原子分散催化劑的表征是研究單原子催化劑的必備手段，然而目前許多表征技術都使用生命在戰斗，所以，發展新型的表征技術，對于單原子催化劑的合成方法和結構設計的優化，意義重大！
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