真實的催化反應過程在微納尺度上表現出顯著的異質性和復雜的時空動態性，針對催化機制研究中信息精準獲取和原位分析這一難題，亟需發展微納尺度和單顆粒水平的光譜和成像技術，這對于揭示微納界面載流子傳輸機制，理解單顆粒水平構效關系，以及設計新型高效光催化劑具有重要意義。
基于此，開發了“時間-空間”高分辨單顆粒熒光光譜技術，實現了催化劑單個納米顆粒熒光光譜信息和高分辨形貌的對應，為微納尺度精準揭示載流子分離和催化反應機制提供了重要工具，實現了微納尺度氧缺陷空間分布成像；基于該技術，在單顆粒水平揭示了載流子分離機制，進而通過異質結構調控提高了載流子分離能力；在該技術基礎上設計了微流體反應裝置，實現了工況條件下單顆粒表面催化反應的原位研究，進而揭示了載流子驅動的水分子活化反應機制和非競爭吸附反應機制；通過揭示單顆粒水平真實構效關系，篩選、優化并構建了高性能光催化劑，利用可見光顯著提升了四電子氧還原、甲酸分解制氫等反應的催化性能。