真实的催化反应过程在微纳尺度上表现出显著的异质性和复杂的时空动态性，针对催化机制研究中信息精准获取和原位分析这一难题，亟需发展微纳尺度和单颗粒水平的光谱和成像技术，这对于揭示微纳界面载流子传输机制，理解单颗粒水平构效关系，以及设计新型高效光催化剂具有重要意义。
基于此，开发了“时间-空间”高分辨单颗粒荧光光谱技术，实现了催化剂单个纳米颗粒荧光光谱信息和高分辨形貌的对应，为微纳尺度精准揭示载流子分离和催化反应机制提供了重要工具，实现了微纳尺度氧缺陷空间分布成像；基于该技术，在单颗粒水平揭示了载流子分离机制，进而通过异质结构调控提高了载流子分离能力；在该技术基础上设计了微流体反应装置，实现了工况条件下单颗粒表面催化反应的原位研究，进而揭示了载流子驱动的水分子活化反应机制和非竞争吸附反应机制；通过揭示单颗粒水平真实构效关系，筛选、优化并构建了高性能光催化剂，利用可见光显著提升了四电子氧还原、甲酸分解制氢等反应的催化性能。