本发明公开了一种单原子金属催化剂及其制备方法和应用。该单原子金属催化剂通过将烷氧基硅烷和金属盐溶液混合进行水解反应后，再通过固相还原反应制成单原子金属催化剂。本发明首次利用外延生长的概念，通过精细的固体化学合成调控实现目标金属原子和基底材料的从共结晶生长到热裂解再到晶体再生长的过程，金属单原子得以在晶体界面上被还原并稳定地存在于材料的孔道中。使得催化反应并不仅仅发生在催化剂的表面，孔道结构会更利于催化剂界面和反应物的接触，提供有效的反应场所，该单原子催化剂的合成方法简单，产量高且稳定，不需要加入额外的试剂和辅料，在单原子催化领域具有巨大的应用潜力。