在电化学能量转换过程中,电催化剂决定了整个过程的反应速率、效率和选择性,是影响这些能量转换技术的关键因素。常见的电催化反应包括氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）、二氧化碳还原反应（CO2RR）、氮气还原反应（NRR）、和析氢反应（HER）等,这些反应通常具有较高的过电位和缓慢的动力学。传统的贵金属基电催化剂如钌、铂和铱等,虽然可以加快反应的速率,但这些贵金属的高成本限制了它们的大规模应用。二维（2D）纳米材料由于层状的结构,独特的电子结构和物理性质被广泛地应用在电子器件、传感器和催化等方面。2D材料在催化领域应用的潜力主要可以概括为三个方面:（1）较大的比表面积可以提供较多的表面活性位点;（2）优异的稳定性可以保证持久的催化作用;（3）良好的热导率可以促进反应中的热扩散。因此,深入理解2D纳米材料的构效关系对于合理设计高效的催化剂是必要的。在本论文中,我们通过密度泛函理论（DFT）计算研究了 2D无金属原子、单金属原子、双金属原子电催化剂在OER,CO2RR,NRR中的活性与选择性,为实验研究提供借鉴,主要的研究成果如下:1.2D无金属π共轭聚（四噻吩并蒽）（PTTA）的电催化OER、CO2RR性能研究:PTTA只含C、S、H三种轻质元素,声子谱和分子动力学模拟证实了 PTTA的稳定性。此外,PTTA的2D多孔结构可以增加活性位点的数量。使用基于DFT的第一性原理计算系统地探索PTTA的OER和CO2RR电催化活性。综合研究了OER和CO2RR的中间体结构、反应位点、电位决定步骤（PDS）和理论过电位（η）,并确定了最有利的反应途径。此外,电荷密度差分（CDD）和Bader电荷分析用于分析吸附中间体和PTTA表面之间的电子转移和重新分布,阐明了PTTA的OER和CO2RR电催化机理,预测了其优异的电催化性能,并进一步证明了纯有机2D π共轭材料用于电催化反应的可能性。2.2D单原子催化剂（SACs）的电催化NRR性能研究:SACs已广泛应用于电催化领域,具有优异的催化性能和高原子利用率。尤其是SACs还可以改变催化剂对不同分子的吸附选择性。在这项工作中,我们探索了如何设计不同配位原子（O、S、Se、NH）调节金属d带中心以提高电催化NRR效率。系统研究了以 MC4X4（X=O、S、Se、NH;M=Os、Ir、Ru）为催化剂的电催化 NRR全反应路径。电子结构分析表明,MC4X4的NRR性能取决于配位原子对M的d带中心的调控,进而影响对反应中间体的吸附性能。我们的研究结果系统地研究了不同类型的配位原子对NRR活性的影响,为设计用于NRR的新型2D SACs铺平了道路。3.2D双原子催化剂（DACs）的电催化CO2RR性能研究:作为SACs的自然延伸,2DDACs由于其协同效应和金属二聚体相邻活性位点之间的调节差异而受到广泛关注。因此,通过大规模系统的DFT计算,以二维C9N4底物为例,计算了其金属二聚体对CO2RR的选择性。计算结果表明:Mn2@C9N4具有最好的C1产物催化活性,极限电位为-0.49 V;Cu2@C9N4具有最好的C2产物催化活性,极限电位为-0.76 V。态密度分析表明Cu2@C9N4催化活性来源于*COCOH中Cp轨道与Cud轨道的弱杂化作用。