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本发明属于催化剂技术领域,具体涉及一种单原子钯催化剂及其制备方法和应用。该催化剂的制备方法包括:将干燥的氧化铝载体浸渍到稀土金属硝酸盐修饰的钯盐溶液中;然后在‑120至‑30℃的温度下加入还原剂溶液,充分反应后,过滤、干燥,得到单原子钯催化剂。该制备方法通过超低温反应条件和稀土金属硝酸盐修饰,得到的钯单原子催化剂的活性组分钯呈高度分散且以单原子的方式均匀分布在氧化铝上;其中,钯的含量为0.1‑0.5wt%,稀土金属硝酸盐的含量为0.1‑0.5wt%,氧化铝的含量为99.0‑99.8wt%。该催化剂中钯金属负载量低、催化效率高,将其用在蒽醌加氢制备双氧水中,表现出高的蒽醌加氢活性和选择性。