本发明公开了一种高性能铂钛单原子催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂技术领域。该方法为将金红石型纳米TiO2粉末置于管式炉内，通入O2/Ar、H2/Ar或纯H2，分别得白色、灰色、黑色TiO2，通气超过3h后升温还原；向还原处理后的TiO2粉末中加入去离子水超声分散，得TiO2分散液；将Pt(NH3)4(NO3)2溶解于蒸馏水混合均匀，然后滴加入TiO2分散液中，混合均匀，经过旋蒸、干燥、在空气气氛下焙烧，制得铂钛单原子催化剂。该催化剂性能优异、热稳定性高，所需原料廉价易得，制备过程简单方便、能耗低、污染小、环境友好，可大规模生产、大幅降低成本、具有潜在的工业应用前景。