這是一個十分復雜的問題。幾十年來，有關催化劑的資料積累了許多，也提出過不少的催化理論，但至今還缺乏適用范圍廣泛的理論來闡明催化劑的作用原理，并指導人們更好地選擇催化劑。這是由于催化反應，特別是多相催化反應，是一個十分復雜的問題。它不僅涉及一般的化學反應機理，而且還涉及到固體物理學、結構化學和表面化學等學科，而這些都是人們至今還在探索的科學領域。另一方面，催化理論的研究，還必須借助于先進的實驗手段，但目前研究催化劑反應機理的實驗工具還不夠完善，至今人們還無法洞察催化反應在進行過程中催化劑表面的結構變化，以及反應物在具體催化過程中的轉化情況。目前催化理論落后于催化劑在工業生產中所獲得的巨大成就，所以必須加強催化學科基礎理論的研究。
催化劑與反應物同處于均勻的氣相或液相中的催化稱為單相催化（又叫均相催化）。單相催化一般認為是反應物與催化劑先生成一定的中間產物，然后催化劑又從這些中間產物中產生出來。反應物與催化劑形成中間產物，再由中間產物變為產物的總的活化能，要比反應物之間直接反應成為生成物的活化能小得多。
催化劑自成一相（固相），在催化劑表面進行的催化作用叫做多相催化。對于多相催化反應，目前有三種理論：即活性中心理論、活化絡合物理論和多位理論。
（1）活性中心理論
活性中心理論認為，催化作用發生在催化劑表面上的某些活性中心。由于這些活性中心對反應物分子產生化學吸附，使反應物分子變形，化學鍵松弛，呈現活化狀態，從而發生催化作用。在固體表面，活性中心存在于棱角、突起或缺陷部位。因為這些部位的價鍵具有較大的不飽和性，所以具有較大的吸附能力。通常活性中心只占整個催化劑表面的很小部分。例如，合成氨的鐵催化劑的活性中心只占總表面積的0.1％。活性中心理論可以解釋：為什么微量的毒物就能使催化劑喪失活性（毒物破壞或占據活性中心），為什么催化劑的活性與制備條件有關（制備條件能影響晶體結構，即影響活性中心的形成）。
（2）活化絡合物理論
（3）多位理論
活性中心理論和活化絡合物理論都沒有注意到催化劑表面活性中心的結構，因而不能充分解釋催化劑的選擇性。多位理論認為，表面活性中心的分布不是雜亂無章的，而是具有一定的幾何規整性。只有活性中心的結構與反應物分子的結構成幾何對應時，才能形成多位的活化絡合物，從而發生催化作用。這時催化劑的活性中心不僅使反應分子的某些鍵變得松弛，而且還由于幾何位置的有利條件使新鍵得以形成。
上述的三種多相催化理論都能解釋一些現象，但還有許多事實不能說明。在這三種理論中，有兩點是共同的：第一，認為催化劑表面有活性中心存在，催化劑表面結構不是均勻的，催化能力不是各處一樣。第二，認為反應物分子與活性中心之間相互作用的結果使化學鍵發生改組，從而生成產物。至于活性中心的本質和活化絡合物的本質，是今后需進一步研究的重要課題。

標簽：催化劑催化作用