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纳米尺寸粒子在能源催化过程中扮演着非常重要的角色。它们的组成材料多种多样，比如金属，氧化物和硫化物等，并且它们能够催化多种化学转换反应，包括氧化，还原，（去）氢化，碳-碳或碳-杂原子键键合和断键反应。由于它们多样的催化性能使纳米粒子广泛的运用于石油加工，精细化学合成，光化学和燃料电池等各个能源相关领域。因此描述一个纳米催化剂其催化特征（包括催化活性，稳定性，选择性）是十分必要的，这对于理性指导催化剂设计，改进反应条件以及工业运用等都具有重要意义。 纳米粒子的催化行为是由其组成成分，表面结构（尺寸，形状，孔道）以及活性位点的易接近性所决定的。为了更加准确地预测和详细地了解这些参数对催化行为的影响，已经有非常多的物理化学表征技术被发明或者被提出。在这些技术中，显微镜技术因其高的空间和时间分辨率而备受关注。目前，单分子荧光和超分辨技术在纳米催化中的运用取得了很大的成功，获得了很多在宏观均值实验中很难得到的新信息。在本论文中，我们应用单分子荧光显微镜以及光学超分辨技术研究能源催化过程，即在单分子单粒子水平研究纳米粒子的催化行为，主要包括以下内容: (1)我们首先介绍了目前研究单纳米粒子催化普遍采用的技术以及它们的优缺点，详细阐述了单分子荧光显微镜和超分辨显微镜在的工作原理以及其相对于其他单分子单纳米粒子技术的优势，最后重点介绍了目前荧光单分子技术和超分辨技术研究纳米催化领域的运用和研究现状。 (2)实验所涉及的材料、仪器、实验过程以及表征技术和实验分析方法:详细介绍了实验仪器和实验装置的搭建，主要有全反射荧光显微镜的搭建，微流反应池的组装，实验策略以及其他表征仪器的使用。实验数据的处理和分析方法，包括原始数据的转化，动力学分析，超分辨计算过程。 (3) Pd纳米粒子催化动力学和热力学研究:通过对一系列不同尺寸的形状规则的Pd纳米立方体（5～23nm的边长）和Pd八面体利用单分子荧光显微镜表征每种纳米粒子的单纳米粒子催化速率，我们首先探究了不同尺寸Pd立方体尺寸效应对催化动力学和热力学的影响;然后利用表面统计的方法，建立公式定量分析，从而得到了Pd纳米立方体表面不同类型原子的催化动力学，最后我们在单纳米粒子水平上全面的研究了Pd纳米粒子形状效应，揭示了纳米粒子催化反应中形状对催化动力学和热力学的影响。 (4) Pd纳米片催化产物的表面扩散机理:基于在单纳米粒子水平上对纳米催化剂其表面不同类型原子的产物生成和产物脱附速率的分析，我们预测了边上生成的产物分子会迁移到面上进行下一步脱附。我们采用超分辨方法实时追踪一个新形成的产物分子在Pd纳米片表面的迁移路径验证了我们的预测。 (5) Au催化单纳米粒子活化能:通过在单纳米粒子水平上观测Au纳米粒子在不同温度下的催化活性，我们通过三个方法成功得到了单个纳米粒子在异相催化中连续两步即产物生成和产物脱附的催化活化能。我们对单个纳米粒子的活化能与这个纳米粒子的活性关系进行了分析，同时我们在单纳米粒子水平上发现纳米粒子之间的补偿效应以及催化反应的等动力学关系。