鉴于Haber-Bosch（H-B）过程会消耗大量的能量以及产生有害气体,发展常温常压下电化学合成氨的技术至关重要。然而,电化学合成氨依旧面临着氨气产率低、法拉第效率低等严峻的挑战。因此,当务之急是寻找电化学氮还原（NRR）本征活性高同时电化学氢析出（HER）本征活性低的催化剂。最近,过渡金属与氮共掺杂的单原子催化剂（SACs）被广泛应用于电化学合成氨中,然而关于该类催化剂上电化学合成氨的理论计算研究却相对较少。为此,本文构建了总共34种过渡金属单原子催化剂,使用密度泛函理论（DFT）计算筛选出了具有潜能的电化学合成氨催化剂,并构建了基于能量跨度模型和微观动力模型的火山关系,以期能对未来电化学合成氨的实验以及理论计算提供一些参考。另外,随着计算机技术的高速发展,高通量计算在寻找材料构效关系中广泛被应用。本文运用高通量的计算方法简单地探讨了氢在金属表面吸附的构效关系,为将来对构效关系更深入的挖掘提供一些参考。本论文的工作总结如下:1.过渡金属氮碳（TM-N-C）的高效电化学氮还原催化剂的计算筛选使用DFT探究了Co、Fe、Nb、Re、Ru、V、W七种过渡金属分别以五种不同方式嵌入氮掺杂的石墨烯结构,总共34种（Fe@Zig-4优化失败）单原子催化剂上的电化学NRR。通过使用Norskov等人提出的计算氢电极方法和最大能垒模型,在考虑氢析出的竞争反应的基础上,预测金属Ru的大部分结构以及Co@Basal-3和Fe@Basal-3具有成为电化学合成氨的高效催化剂的可能。另外,提出了一种新的描述符,该描述符较传统的（35）E*N更加适合描述反应机理为联合机理的氮还原反应。最后,通过结合电化学中的BEP关系和Curtin-Hammett理论,得到热力学火山关系顶点附近区域的NRR反应机理均为Distal*,这意味着可以大致认为TM-N-C型单原子催化剂上电化学NRR的反应机理为Distal*。2.对传统火山关系的校正由于最大能垒模型(（35）Gmax model)对火山顶点附近催化剂的活性顺序预测存在较大的误差,基于上一节的计算数据,本文使用能量跨度模型（Energetic span model）和微观动力学模型（Micro-kinetics model）得到相应的火山关系。发现在低电势下,火山顶点不会随电势变化而变化且位置与基于最大能垒模型的火山顶点一致;高电势下,火山顶点会随着电势的变化而变化,呈现出电势依赖性。原因是,低电势下决速步为单一步骤,高电势下不存在单一决速步而是多步反应共同控制催化反应。另外,通过比较能量跨度模型和微观动力学模型的结果,发现这两种模型得到的结论基本一致,从侧面印证了能量跨度模型描述具有多中间体的催化反应的准确性和实用性。3.运用高通量计算探究氢在过渡金属表面上吸附的构效关系通过使用Python中的第三方库ASE和Pymatgen实现自动生成金属表面结构和氢原子在金属表面吸附的结构,并批量对这些结构进行DFT计算得到大量的数据。运用SISSO得到输入特征和氢吸附能的具体表达式,然而,该方法得到了真实值和预测值的均方根误差（RMSE）较大。使用最近十分流行的机器学习算法随机森林,可极大地降低RMSE（0.078e V）。另外,为了考虑电子结构和氢吸附能的关系,使用表面金属的d电子态密度（DOS）值作为输入特征,同样使用随机森林法,得到RMSE为0.0705 e V。紧接着,运用Goddard III最近提出的方法得到能反映表面金属配位环境的输入特征,运用随机森林法,得到RMSE为0.072 e V。因此,综合比较,Goddard III等人的方法显然更加实用,这为以后继续寻找构型关系提供较好的分析工具。4.氧化石墨上氧气两电子还原生成双氧水的理论计算研究合作者发现氧化石墨能有效地催化O2通过两电子还原生成H2O2。于是,通过理论构建以（35）G*OOH为描述符的O2两电子生成H2O2的热力学火山关系,得到氧化石墨上不同含氧官能团对该催化反应的影响。结果显示,-CHO（边缘）,-C-O-C-（体相）和-COOH（边缘）等官能团都能提高石墨的O2两电子还原生成H2O2的活性,从理论上验证了实验的结果。