单原子催化剂具有孤立的金属原子作为活性位点,周围固相载体的配位位点将其锚定。单原子金属与载体之间存在强相互作用或相当大的电荷转移,单一种类的金属原子和载体协调作用以防止单一的金属原子的原子扩散聚集成粒子。

由于其独特的结构特性和完全暴露的活性位点，与纳米催化剂相比,单原子催化剂在各种反应中表现出明显的催化活性增强。使用金属纳米颗粒或大块金属作为起始前体来合成单分散的SACs。打破金属纳米颗粒或大块金属体相中的金属键，释放原子分散的金属物种，并通过形成的单个金属原子和支撑的锚固点之间建立新的牢固的键迁移和聚集。

采用自下而上法合成的步骤为以下三点：
1.根据载体的特性，选择合适的单核金属配合物作为金属前体；
2.采取一些有效措施，如通过配位物种（N, P, S）对单个核金属配合物进行空间隔离和限制迁移等，利用载体的缺陷捕获载体，利用多孔材料的孔隙对载体进行空间限制，减缓载体的热运动；
3.为了保证单原子催化剂的稳定，需要建立并保持金属单个原子与载体配位原子之间的强相互作用或通过电子转移达到铆钉作用（往往需要金属载体成键键合）。

金属烧结还与温度，时间，气氛，金属与载体种类有关。例如在氧气气氛下如金属形成挥发性不高的金属氧化物，其沿着载体表面扩散或通过金属离子蒸汽从能量高的中心转移到能量低的中心。同时金属-金属键能与金属-载体间键合能量相对强弱，影响着金属原子自晶粒脱离和在载体表面上扩散。
为了实现这一目标，载体需要具有丰富的配位点或缺陷来捕获迁移的原子级别分散的金属物种，并在金属原子和配位位点之间建立强相互作用来抑制烧结。将纳米颗粒转化为单原子的关键是要创造合适的合成条件来打破纳米颗粒的金属-金属键，并在单个金属原子和载体的骨架之间形成新的化学键。