本发明公开一种Pd/M/Al2O3单原子催化剂及其制备方法和在不饱和烃加氢中的应用，属于石油化工技术领域。本发明的Pd/M/Al2O3单原子催化剂由Al2O3载体以及负载在Al2O3载体上的改性组分和活性组分组成，改性组分包括M和/或M的氧化物，M为Cu、Ni、Ag、Au、Ga、Zn、In和Nb中的一种或两种以上的组合；活性组分包括Pd和/或Pd的氧化物。所述的Pd/M/Al2O3单原子催化剂可用于不饱和烃的加氢反应，在低温、低压和低氢油比的情况下达到良好的加氢效果，显著提高了转化率和选择性，有助于降低反应装置能耗和运行成本，具有工业实际意义。