本发明公开了一种过渡金属替代Al骨架的多羟基纳米三氧化二铝的制备方法，属于催化剂制备技术领域。催化剂的制备方法，包括以下步骤：将铝盐与扩孔剂混合后加入过氧化氢溶液溶解，得到过氧化氢混合溶液；将金属盐溶液与所述过氧化氢混合溶液混合后，滴加碱性溶液调节pH至8～9，得到待处理溶液；将所述待处理溶液旋转蒸发至无游离水分，然后干燥、焙烧后得到所述过渡金属替代Al骨架的多羟基纳米Al2O3。本发明使用H2O2作为Al盐溶剂，再通过加入扩孔剂提高表面羟基饱和度，使过渡金属和贵金属元素填充至Al2O3晶格中形成一种高分散、高稳定性的单原子催化剂。